Klassificering av reaktioner
Det finns fyra huvudtyper av reaktioner där organiska föreningar är involverade: substitution (förskjutning), addition, eliminering (eliminering), omarrangemang.
3.1 Substitutionsreaktioner
I reaktioner av den första typen sker substitution vanligtvis vid en kolatom, men den substituerade atomen kan vara en väteatom eller någon annan atom eller grupp av atomer. Vid elektrofil substitution ersätts väteatomen oftast; ett exempel är den klassiska aromatiska substitutionen:
Med nukleofil substitution är det inte väteatomen som ersätts oftare, utan andra atomer, till exempel:
NC - + R − Br → NC − R + BR -
3.2 Kopplingsreaktioner
Additionsreaktioner kan också vara elektrofila, nukleofila eller radikala, beroende på vilken typ av partiklar som initierar processen. Bindning till vanliga kol-kol dubbelbindningar induceras vanligtvis av en elektrofil eller en radikal. Till exempel att gå med i HBr
kan börja med ett angrepp på dubbelbindningen av protonen Н + eller av radikalen Br ·.
3.3 Eliminationsreaktioner
Elimineringsreaktioner är i huvudsak det omvända till additionsreaktioner; den vanligaste typen av en sådan reaktion är eliminering av en väteatom och en annan atom eller grupp från intilliggande kolatomer för att bilda alkener:
3.4 Omarrangeringsreaktioner
Omarrangemang kan också fortgå genom mellanprodukter som är katjoner, anjoner eller radikaler; oftast fortskrider dessa reaktioner med bildandet av karbokatjoner eller andra elektronbristiga partiklar. Omarrangemang kan innebära betydande omarrangemang av kolstommen. Det faktiska omlagringssteget i sådana reaktioner följs ofta av substitutions-, additions- eller elimineringssteg som leder till bildningen av en stabil slutprodukt.
En detaljerad beskrivning av en kemisk reaktion i steg kallas en mekanism. Ur en elektronisk synvinkel förstås mekanismen för en kemisk reaktion som metoden för att bryta kovalenta bindningar i molekyler och sekvensen av tillstånd genom vilka reaktanter passerar innan de omvandlas till reaktionsprodukter.
4.1 Fria radikaler reaktioner
Fria radikalreaktioner är kemiska processer som involverar molekyler som har oparade elektroner. Vissa aspekter av reaktioner med fria radikaler är unika jämfört med andra typer av reaktioner. Den största skillnaden är att många fria radikalreaktioner är kedjereaktioner. Detta innebär att det finns en mekanism genom vilken många molekyler omvandlas till en produkt genom en iterativ process som initieras av skapandet av en enda reaktiv partikel. Ett typiskt exempel illustreras med hjälp av följande hypotetiska mekanism:
Steget där reaktionsmellanprodukten genereras, i detta fall A ·, kallas initiering. Detta skede äger rum vid höga temperaturer, under inverkan av UV eller peroxider, i opolära lösningsmedel. De nästa fyra ekvationerna i detta exempel upprepar sekvensen av två reaktioner; de representerar kedjans utvecklingsfas. Kedjereaktioner kännetecknas av en kedjelängd som motsvarar antalet utvecklingsstadier per initieringsstadium. Det andra steget fortsätter med den samtidiga syntesen av föreningen och bildandet av en ny radikal, som fortsätter kedjan av transformationer. Det sista steget är kedjeavslutningssteget, vilket inkluderar varje reaktion där en av reaktionsmellanprodukterna som krävs för kedjeutveckling förstörs. Ju fler steg av kedjeavslutning, desto kortare blir kedjelängden.
Fria radikalreaktioner äger rum: 1) i ljus, vid höga temperaturer eller i närvaro av radikaler som bildas vid nedbrytning av andra ämnen; 2) hämmas av ämnen som lätt reagerar med fria radikaler; 3) fortsätt i opolära lösningsmedel eller i ångfas; 4) har ofta en autokatalytisk och induktionsperiod innan reaktionen börjar; 5) är kinetiskt kedjade.
Radikala substitutionsreaktioner är typiska för alkaner, och radikaladdition - för alkener och alkyner.
CH4 + Cl2 -> CH3CI + HCl
CH3-CH = CH2 + HBr → CH3-CH2-CH2Br
CH3-C=CH + HCl -> CH3-CH = CHCl
Kopplingen av fria radikaler med varandra och avslutningen av kedjan sker huvudsakligen på reaktorns väggar.
4.2 Joniska reaktioner
Reaktioner som uppstår heterolytisk bryta bindningar och bildandet av mellanliggande partiklar av jonisk typ kallas jonreaktioner.
Joniska reaktioner fortskrider: 1) i närvaro av katalysatorer (syror eller baser och påverkas inte av ljus eller fria radikaler, i synnerhet som härrör från sönderdelningen av peroxider); 2) inte påverkas av fria radikaler som renhåller; 3) reaktionsförloppet påverkas av lösningsmedlets natur; 4) förekommer sällan i ångfasen; 5) är kinetiskt, huvudsakligen, reaktioner av första eller andra ordningen.
Genom arten av reagenset som verkar på molekylen delas joniska reaktioner in i elektrofil och nukleofil... Nukleofila substitutionsreaktioner är typiska för alkyl- och arylhalogenider,
CH3CI + H2O → CH3OH + HCl
C6H5-Cl + H2O → C6H5-OH + HCl
C2H5OH + HCl → C2H5Cl + H2O
C2H5NH2 + CH3Cl → CH3-NH-C2H5 + HCl
elektrofil substitution - för alkaner i närvaro av katalysatorer
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH (CH3) -CH2-CH3
och arenor.
C 6 H 6 + HNO 3 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O
Elektrofila additionsreaktioner är karakteristiska för alkener
CH3-CH = CH2 + Br2 -> CH3-CHBr-CH2Br
och alkyner,
CH=CH + Cl2 -> CHCl = CHCl
nukleofil addition - för alkyner.
CH3-C≡CH + C2H5OH + NaOH → CH3-C (OC2H5) = CH2
>> Kemi: Typer av kemiska reaktioner inom organisk kemi
Reaktioner av organiska ämnen kan formellt delas in i fyra huvudtyper: substitution, addition, eliminering (eliminering) och omarrangemang (isomerisering). Det är uppenbart att alla olika reaktioner av organiska föreningar inte kan tas in i ramen för den föreslagna klassificeringen (till exempel förbränningsreaktioner). En sådan klassificering kommer dock att bidra till att upprätta analogier med klassificeringen av reaktioner som uppstår mellan oorganiska ämnen som redan är bekanta för dig från oorganisk kemi.
Som regel kallas den huvudsakliga organiska föreningen som deltar i reaktionen substratet, och den andra komponenten i reaktionen betraktas konventionellt som ett reagens.
Substitutionsreaktioner
Reaktioner som resulterar i ersättning av en atom eller grupp av atomer i den ursprungliga molekylen (substratet) med andra atomer eller grupper av atomer kallas substitutionsreaktioner.
Mättade och aromatiska föreningar, såsom till exempel alkaner, cykloalkaner eller arener, ingår i substitutionsreaktioner.
Låt oss ge exempel på sådana reaktioner.
Klassificering av reaktioner Enligt antalet utgångs- och slutämnen: 1. Tillsats 2. Klyvning (eliminering) 3. Substitution
Klassificering av reaktioner Genom bindningsbrytningsmekanismen: 1. Homolytiska (radikala) radikaler 2. Heterolytiska (joniska) joner
Reaktionsmekanism Mekanism - en detaljerad beskrivning av en kemisk reaktion i steg, med angivande av mellanprodukter och partiklar. Reaktionsschema: Reaktionsmekanism:
Klassificering av reaktioner efter typ av reagens 1. Radikal En radikal är en kemiskt aktiv partikel med en oparad elektron. 2. Elektrofil Elektrofil är en elektronbrist partikel eller molekyl med en elektronbrist atom. 3. Nukleofil Nukleofil är en anjon eller neutral molekyl som har en atom med ett ensamt elektronpar.
Typer av kemiska bindningar i organiska ämnen Huvudtypen av bindning är kovalent (jonisk är mindre vanligt) Sigmabindning (σ-): Pi-bindning (-)
ALKANER - alifatiska (fettiga) kolväten "Alifatos" - olja, fett (grekiska). Cn. H 2 n + 2 Mättade kolväten
Homolog serie: CH 4 - metan C 2 H 6 - etan C 3 H 8 - propan C 4 H 10 - butan C 5 H 12 - pentan etc. C 6 H 14 - hexan C 7 H 16 - heptan C 8 H 18 - oktan С 9 Н 20 - nonane С 10 Н 22 - dekan och С 390 Н 782 - nonocontatrictan (1985)
Atomorbital modell av metanmolekylen I metanmolekylen har kolatomen inte längre S- och P-orbitaler! Dess 4-hybrid, ekvivalent i energi och form, SP 3-orbitaler, bildar 4-bindningar med väteatomens S-orbitaler. H H 4 -anslutning
Nitreringsreaktion Konovalov Dmitry Petrovich (1856 -1928) 1880. Det första framgångsrika försöket att återuppliva de "kemiska döda", som ansågs vara alkaner. Hittade förutsättningarna för nitrering av alkaner. Ris. Källa: http://images. yandex. ru.
Kemiska egenskaper I. Reaktioner med brott av C-H-bindningar (substitutionsreaktioner): 1. halogenering 2. nitrering 3. sulfoklorering II. Reaktioner med klyvning av C-C-bindningar: 1. förbränning 2. sprickbildning 3. isomerisering
Hur hittar jag en kemist? Om du vill hitta en kemist, fråga vad nattfjäril och icke-joniserat är. Och om han börjar prata om pälsdjur och organisationen av arbetet, lämna lugnt. Science fiction-författare, populariserare av vetenskap Isaac Asimov (1920–1992) Fig. Källa: http://images. yandex. ru.
1. Halogeneringsreaktion Klorering: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromering: RH + Br 2 hv RBr + HBr Till exempel metanklorering: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl
Stadier av mekanismen för fria radikaler Reaktionsschema: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Reaktionsmekanism: I. Kedjeinitiering - stadium av kärnbildning av fria radikaler. Cl Cl 2 Cl Radikal - en aktiv partikel, initiatorn av reaktionen. - - Scenen kräver energi i form av uppvärmning eller belysning. Efterföljande steg kan fortsätta i mörker utan uppvärmning.
Stadier av mekanismen för fria radikaler II. Kedjetillväxt är huvudstadiet. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Steget kan inkludera flera delsteg, vid var och en av vilka en ny radikal bildas, men inte H !!! På II, huvudstadiet, bildas nödvändigtvis huvudprodukten!
Stadier av mekanismen för fria radikaler III. Kedjeavslutning - radikal rekombination. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 - CH 3 Alla två radikaler är sammankopplade.
Selektivitet av substitution Selektivitet - selektivitet. Regioselektivitet - selektivitet i ett visst område av reaktioner. Till exempel, selektivitet för halogenering: 45% 3% Slutsats? 55 % 97 %
Selektiviteten för halogenering beror på följande faktorer: Reaktionsförhållanden. Det är mer selektivt vid låga temperaturer. Halogens natur. Ju aktivare halogenen är, desto mindre selektiv reaktion. F2 reagerar mycket kraftigt med förstörelse av C-C-bindningar. I2 reagerar inte med alkaner under dessa förhållanden. Alkanstruktur.
Inverkan av alkanens struktur på substitutionens selektivitet. Om kolatomerna i alkanen är olika, så fortskrider substitutionen vid var och en av dem med olika hastighet. Släkting reaktionshastighet för substitution Primär. atom H Sekundär atom H Tert. atom H klorering 1 3, 9 5, 1 bromering 1 82 1600 Slutsats?
Lossandet av en tertiär väteatom kräver mindre energi än avskiljandet av den sekundära och primära! Alkanformel Resultat av homolys AU, kJ / 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) 3 CH (CH3)3C + H 377
Reaktionernas riktning Varje reaktion fortskrider övervägande i riktning mot bildandet av en stabilare mellanpartikel!
En mellanliggande partikel i radikalreaktioner är en fri radikal. Den mest stabila radikalen bildas lättast! Radikalernas stabilitetsområde: R 3 C> R 2 CH> RCH 2> CH 3 Alkylgrupper uppvisar en elektrondonerande effekt och stabiliserar därigenom radikalen
Sulfokloreringsreaktion Reaktionsschema: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Reaktionsmekanism: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl etc. etc. 3,2 Cl Cl 2 etc.
Reaktionen av DP Konovalov Nitrering enligt Konovalov utförs genom verkan av utspädd salpetersyra vid en temperatur av ca 140°C. C. Reaktionsschema: RH + HNO3 RNO2 + H2O
Mekanismen för Konovalov-reaktionen HNO 3 N 2 O 4 1. N 2 O 4 2 NO 2 2. RH + NO 2 R + HNO 2 R + HNO 3 RNO 2 + OH RH + OH R + H 2 O etc. 3 Öppen krets.
Alkener är omättade kolväten med en C = C Cn-bindning. H 2 n С = С - funktionell grupp av alkener
Kemiska egenskaper hos alkener Allmänna egenskaper Alkener är en reaktiv klass av föreningar. De kommer in i många reaktioner, varav de flesta beror på att den svagare pi-bindningen bryts. Е С-С (σ-) ~ 350 KJ/mol Е С = С (-) ~ 260 KJ/mol
Karakteristiska reaktioner Anknytning är den mest karakteristiska typen av reaktion. Dubbelbindningen är en elektrondonator, så den tenderar att lägga till: E - elektrofiler, katjoner eller radikaler
Exempel på reaktioner vid elektrofil tillsats 1. Vidhäftning av halogener - Alla halogener är inte fästa, utan endast klor och brom! - Polarisering av en neutral halogenmolekyl kan ske under inverkan av ett polärt lösningsmedel eller under inverkan av en alkendubbelbindning. Den rödbruna bromlösningen blir färglös
Elektrofila additionsreaktioner fortgår vid rumstemperatur och kräver ingen belysning. Mekanismen är jonisk. Reaktionsschema: XY = Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O
Sigma - ett komplex är en karbokatjon - en partikel med en positiv laddning på kolatomen. Om andra anjoner är närvarande i reaktionsmediet kan de också läggas till karbokaten.
Till exempel tillsats av brom löst i vatten. Denna kvalitativa reaktion på den dubbla C = C-bindningen fortskrider med missfärgning av bromlösningen och bildandet av två produkter:
Anknytning till osymmetriska alkener Regioselektivitet för anknytning! Markovnikovs regel (1869): syror och vatten fäster till osymmetriska alkener på ett sådant sätt att väte fäster till en mer hydrerad kolatom.
Markovnikov Vladimir Vasilievich (1837 - 1904) Examen från Kazan University. Sedan 1869 - Professor vid kemiska institutionen. Grundare av en vetenskaplig skola. Ris. Källa: http://images. yandex. ru.
Förklaring av Markovnikovs regel Reaktionen fortskrider genom bildandet av den mest stabila mellanpartikeln - karbokaten. primär sekundär, mer stabil
Stabilitetsintervall för karbokater: tertiär sekundär primär metyl Markovnikovs regel i en modern formulering: tillägget av en proton till en alken sker med bildandet av en mer stabil karbokatjon.
Anti-Markovnikov-addition CF 3 -CH = CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formellt går reaktionen emot Markovnikov-regeln. CF 3 - elektronacceptorsubstituent Andra elektronacceptorer: NO 2, SO 3 H, COOH, halogener, etc.
Anti-Markovnikov-fästning stabilare instabil CF 3 - elektronacceptor destabiliserar karbokaten. Reaktionen går endast formellt emot Markovnikov-regeln. Faktum är att den lyder den, eftersom den går igenom en mer stabil kolsyra.
Harashs peroxideffekt X CH 3 -CH = CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X = O 2, H 2 O 2, ROOR Mekanismen är fri radikal: 1. H 2 O 2 2 OH + HBr H 2 O + Br 2. CH 3 -CH = CH 2 + Br CH 3 -CH -CH 2 Br mer stabil radikal CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br, etc. 3. Alla två radikaler är kopplad mellan dig själv.
Elektrofil tillsats 3. Hydrering - tillsats av vatten - Reaktionen sker i närvaro av sura katalysatorer, oftast är det svavelsyra. – Reaktionen lyder Markovnikovs regel. Billigt sätt att få alkohol
Vid tentamen ber akademikern Ivan Alekseevich Kablukov studenten berätta hur väte erhålls i laboratoriet. "Från kvicksilver", svarar han. "Hur är det" från kvicksilver "? ! Vanligtvis säger de "från zink", men från kvicksilver - det här är något original. Skriv en reaktion." Eleven skriver: Hg = H + g Och säger: ”Kviksilver hettas upp; den sönderdelas till H och g. H - väte, det är lätt och flyger därför bort, och g - tyngdaccelerationen, tung, kvarstår." "För ett sådant svar måste du ge en" fem ", - säger Kablukov. - Låt oss ta rekordboken. Bara de "fem" ska jag också värma upp till en början. "Tre" flyger iväg, men "två" är kvar."
Två kemister i laboratoriet: - Vasya, stoppa in handen i det här glaset. - Sänkte den. - Känner du något? - Nej. – Så svavelsyra i ett annat glas.
Aromatiska kolväten Aromatiska - doftande? ? Aromatiska föreningar är bensen och ämnen som liknar det i kemiskt beteende!
Många substitutionsreaktioner öppnar vägen för framställning av olika föreningar med ekonomisk användning. Elektrofil och nukleofil substitution spelar en stor roll inom kemivetenskap och industri. I organisk syntes har dessa processer ett antal funktioner som bör noteras.
En mängd olika kemiska fenomen. Substitutionsreaktioner
Kemiska förändringar i samband med omvandling av ämnen kännetecknas av ett antal egenskaper. Slutresultaten, termiska effekter kan vara olika; vissa processer går till slutet, i andra åtföljs en förändring av ämnen ofta av en ökning eller minskning av oxidationstillståndet. Vid klassificering av kemiska fenomen efter deras slutresultat ägnas uppmärksamhet åt de kvalitativa och kvantitativa skillnaderna mellan reagenser och produkter. Baserat på dessa egenskaper kan 7 typer av kemiska omvandlingar särskiljas, inklusive substitutionsförfarandet enligt schemat: A — B + CA — C + B. En förenklad notering av en hel klass av kemiska fenomen ger en idé om att bland de initiala ämnen det finns en så kallad "attackerande" En partikel som ersätter en atom, jon eller funktionell grupp i reagenset. Substitutionsreaktionen är typisk för att begränsa och
Substitutionsreaktioner kan uppstå i form av ett dubbelt utbyte: A — B + C — E A — C + B — E. En av underarterna är förskjutningen av till exempel koppar med järn från en lösning av kopparsulfat: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Atomer, joner eller funktionella grupper kan fungera som en "attackerande" partikel
Homolytisk substitution (radikal, SR)
Med en radikal mekanism för att bryta kovalenta bindningar är ett elektronpar som är gemensamt för olika element proportionellt fördelat mellan "fragmenten" av molekylen. Fria radikaler bildas. Dessa är instabila partiklar, vars stabilisering sker som ett resultat av efterföljande omvandlingar. Till exempel, när etan erhålls från metan, genereras fria radikaler som deltar i substitutionsreaktionen: CH 4 CH 3. + .H; CH 3. + CH3 -> C2H5; H +. H -> H2. Den homolytiska brytningen av bindningen enligt den givna substitutionsmekanismen är av kedjekaraktär. I metan kan H-atomer successivt ersättas med klor. Reaktionen med brom fortskrider på liknande sätt, men jod kan inte direkt ersätta väte i alkaner, fluor reagerar för kraftigt med dem.
Heterolytiskt sätt att bryta bandet
I den joniska mekanismen för substitutionsreaktioner är elektroner ojämnt fördelade mellan de nybildade partiklarna. Det bindande elektronparet lämnar helt till ett av "fragmenten", oftast till den bindningspartner mot vilken den negativa densiteten i den polära molekylen har förskjutits. Substitutionsreaktioner inkluderar bildningen av metylalkohol CH3OH. I brommetan CH3Br är brytningen av molekylen heterolytisk, laddade partiklar är stabila. Metyl får en positiv laddning och brom får en negativ laddning: CH 3 Br → CH 3 + + Br -; NaOH → Na+ + OH-; CH3+ + OH - → CH3OH; Na + + Br - ↔ NaBr.
Elektrofiler och nukleofiler
Partiklar som saknar elektroner och kan ta emot dem kallas "elektrofiler". Dessa inkluderar kolatomer bundna till halogener i haloalkaner. Nukleofiler har en ökad elektrontäthet, de "donerar" ett par elektroner när de skapar en kovalent bindning. I substitutionsreaktioner attackeras nukleofiler rika på negativa laddningar av elektrofiler, som saknar elektroner. Detta fenomen är förknippat med rörelsen av en atom eller annan partikel - en utgående grupp. En annan typ av substitutionsreaktioner är attacken av en elektrofil av en nukleofil. Ibland är det svårt att skilja mellan två processer, att klassificera substitutionen som en eller annan typ, eftersom det är svårt att ange exakt vilken av molekylerna som är ett substrat och vilken som är ett reagens. Vanligtvis, i sådana fall, beaktas följande faktorer:
- arten av den lämnande gruppen;
- nukleofilens reaktivitet;
- lösningsmedlets beskaffenhet;
- alkyldelens struktur.
Nukleofil substitution (SN)
I processen för interaktion i en organisk molekyl observeras en ökning av polariseringen. I ekvationer indikeras en partiell positiv eller negativ laddning med bokstaven i det grekiska alfabetet. Polariseringen av bindningen gör det möjligt att bedöma arten av dess brytning och det vidare beteendet hos "fragmenten" av molekylen. Till exempel har kolatomen i jodmetan en partiell positiv laddning och är ett elektrofilt centrum. Det attraherar den del av vattendipolen där syre finns, som har ett överskott av elektroner. När en elektrofil interagerar med ett nukleofilt reagens bildas metanol: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Nukleofila substitutionsreaktioner äger rum med deltagande av en negativt laddad jon eller en molekyl som har ett fritt elektronpar som inte deltar i skapandet av en kemisk bindning. Jodmetans aktiva deltagande i SN 2-reaktioner förklaras av dess öppenhet för nukleofila attacker och jods rörlighet.
Elektrofil substitution (SE)
En organisk molekyl kan innehålla ett nukleofilt centrum, som kännetecknas av ett överskott av elektrondensitet. Det reagerar med ett elektrofilt reagens som saknar negativa laddningar. Dessa partiklar inkluderar atomer med fria orbitaler, molekyler med områden med låg elektrondensitet. I kol, som har en laddning "-", interagerar med den positiva delen av vattendipolen - med väte: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Produkten av denna elektrofila substitutionsreaktion är metan. I heterolytiska reaktioner interagerar motsatt laddade centra av organiska molekyler, vilket gör dem liknar joner i kemin hos oorganiska ämnen. Det bör inte förbises att omvandlingen av organiska föreningar sällan åtföljs av bildandet av sanna katjoner och anjoner.
Monomolekylära och bimolekylära reaktioner
Nukleofil substitution är monomolekylär (SN1). Enligt denna mekanism fortsätter hydrolysen av en viktig produkt av organisk syntes, tertiär butylklorid. Det första steget är långsamt, det är associerat med gradvis dissociation till karboniumkatjon och kloridanjon. Det andra steget fortskrider snabbare, reaktionen mellan karboniumjonen och vatten fortsätter. substitution av en halogen i en alkan mot en oxigrupp och erhållande av en primär alkohol: (CH 3) 3 C — Cl → (CH 3) 3 C + + Cl -; (CH3)3C+ + H2O → (CH3)3C — OH + H+. Enstegshydrolysen av primära och sekundära alkylhalider kännetecknas av den samtidiga förstörelsen av bindningen av kol med en halogen och bildandet av ett C - OH-par. Detta är mekanismen för nukleofil bimolekylär substitution (SN2).
Mekanism för heterolytisk substitution
Substitutionsmekanismen är förknippad med elektronöverföring, skapandet av mellanliggande komplex. Reaktionen fortskrider ju snabbare desto lättare uppstår de mellanprodukter som är karakteristiska för den. Ganska ofta går processen åt flera håll samtidigt. Fördelen uppnås vanligtvis genom det sätt på vilket partiklar som kräver minst energiförbrukning för att bildas används. Till exempel ökar närvaron av en dubbelbindning sannolikheten för uppkomsten av en allylkatjon CH2 = CH - CH 2 +, i jämförelse med CH 3 +-jonen. Anledningen ligger i multipelbindningens elektrontäthet, vilket påverkar delokaliseringen av den positiva laddningen spridd i molekylen.
Reaktioner av bensensubstitution
Den grupp som kännetecknas av elektrofil substitution är arenor. Bensenringen är ett bekvämt mål för elektrofila attacker. Processen börjar med polariseringen av bindningen i det andra reagenset, vilket resulterar i bildandet av en elektrofil intill elektronmolnet i bensenringen. Resultatet är ett övergångskomplex. Det finns fortfarande ingen fullfjädrad bindning mellan den elektrofila partikeln och en av kolatomerna, den attraheras av hela den negativa laddningen av elektronernas "aromatiska sex". I det tredje steget av processen är en elektrofil och en kolatom i ringen sammanlänkade med ett gemensamt elektronpar (kovalent bindning). Men i det här fallet inträffar förstörelsen av den "aromatiska sexan", vilket är ofördelaktigt ur synvinkeln att uppnå ett stabilt stabilt energitillstånd. Ett fenomen som kan kallas "protonutstötning" observeras. Avdelningen av Н + sker, och det stabila kommunikationssystemet som är karakteristiskt för arenor återställs. Biprodukten innehåller en vätekatjon från bensenringen och en anjon från det andra reagenset.
Exempel på substitutionsreaktioner från organisk kemi
För alkaner är substitutionsreaktionen särskilt karakteristisk. Exempel på elektrofila och nukleofila transformationer kan nämnas för cykloalkaner och arener. Liknande reaktioner i molekyler av organiska ämnen inträffar under normala förhållanden, men oftare - vid upphettning och i närvaro av katalysatorer. Elektrofil substitution i den aromatiska kärnan är en vanlig och väl studerad process. De viktigaste reaktionerna av denna typ är:
- Nitrering av bensen i närvaro av H 2 SO 4 - går enligt schemat: C 6 H 6 → C 6 H 5 —NO 2.
- Katalytisk halogenering av bensen, i synnerhet klorering, enligt ekvationen: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
- Aromatiska flöden med "rykande" svavelsyra, bensensulfonsyror bildas.
- Alkylering är ersättningen av en väteatom från bensenringen med en alkyl.
- Acylering är bildandet av ketoner.
- Formylering är ersättning av väte med en CHO-grupp och bildning av aldehyder.
Substitutionsreaktioner inkluderar reaktionen i alkaner och cykloalkaner, där halogener angriper den tillgängliga CH-bindningen. Härledning kan associeras med substitution av en, två eller alla väteatomer i mättade kolväten och cykloparaffiner. Många av haloalkanerna med låg molekylvikt finner användning vid tillverkning av mer komplexa ämnen som tillhör olika klasser. De framgångar som uppnåddes i studiet av mekanismerna för substitutionsreaktioner gav en kraftfull impuls till utvecklingen av synteser baserade på alkaner, cykloparaffiner, arener och halogenerade kolväten.
Reaktionerna av organiska ämnen kan formellt delas in i fyra huvudtyper: substitution, addition, eliminering (eliminering) och omarrangemang (isomerisering)... Det är uppenbart att alla olika reaktioner av organiska föreningar inte kan reduceras till den föreslagna klassificeringen (till exempel förbränningsreaktioner). En sådan klassificering kommer dock att bidra till att upprätta analogier med de reaktioner som redan är bekanta för dig som uppstår mellan oorganiska ämnen.
Som regel kallas den huvudsakliga organiska föreningen som är involverad i reaktionen substrat och den andra komponenten i reaktionen anses konventionellt vara reagens.
Substitutionsreaktioner
Substitutionsreaktionerär reaktioner som resulterar i att en atom eller grupp av atomer i den ursprungliga molekylen (substratet) ersätts med andra atomer eller grupper av atomer.
Mättade och aromatiska föreningar, såsom alkaner, cykloalkaner eller arener, ingår i substitutionsreaktionen. Låt oss ge exempel på sådana reaktioner.
Under påverkan av ljus kan väteatomer i en metanmolekyl ersättas av halogenatomer, till exempel kloratomer:
Ett annat exempel på att ersätta väte med halogen är omvandlingen av bensen till brombensen:
Ekvationen för denna reaktion kan skrivas annorlunda:
I denna form av registrering registreras reagenserna, katalysatorn, reaktionsförhållandena ovanför pilen och oorganiska reaktionsprodukter - under den.
Som ett resultat av reaktioner ersättningar av organiska ämnen är inte enkla och komplicerade ämnen, som i oorganisk kemi, och två komplexa ämnen.
Tilläggsreaktioner
Tilläggsreaktioner- dessa är reaktioner, som ett resultat av vilka två eller flera molekyler av reagerande ämnen kombineras till en.
Omättade föreningar såsom alkener eller alkyner ingår i additionsreaktionen. Beroende på vilken molekyl som fungerar som ett reagens, skiljer man mellan hydrogenering (eller reduktion), halogenering, hydrohalogenering, hydratisering och andra additionsreaktioner. Var och en av dem kräver vissa villkor.
1.Hydrering- reaktionen av addition av en vätemolekyl vid en multipelbindning:
2. Hydrohalogenering- reaktion med tillsats av vätehalogenid (hydroklorering):
3. Halogenering- halogenadditionsreaktion:
4.Polymerisation- en speciell typ av additionsreaktioner, under vilka molekyler av ett ämne med låg molekylvikt kombineras med varandra för att bilda molekyler av ett ämne med mycket hög molekylvikt - makromolekyler.
Polymerisationsreaktioner är processerna för att kombinera många molekyler av ett ämne med låg molekylvikt (monomer) till stora molekyler (makromolekyler) av en polymer.
Ett exempel på en polymerisationsreaktion är produktionen av polyeten från eten (eten) under inverkan av ultraviolett strålning och radikalinitiatorn för polymerisation R.
Den mest typiska kovalenta bindningen för organiska föreningar bildas när atomära orbitaler överlappar varandra och vanliga elektronpar bildas. Som ett resultat av detta bildas en orbital gemensam för två atomer, på vilken ett gemensamt elektronpar finns. När bindningen bryts kan ödet för dessa delade elektroner vara annorlunda.
Typer av reaktiva partiklar
En orbital med en oparad elektron som tillhör en atom kan överlappa med en annan atoms orbital, som också innehåller en oparad elektron. I detta fall sker bildandet av en kovalent bindning enligt utbytesmekanismen:
Utbytesmekanismen för bildandet av en kovalent bindning realiseras när ett gemensamt elektronpar bildas av oparade elektroner som tillhör olika atomer.
Processen motsatsen till bildandet av en kovalent bindning av utbytesmekanismen är bindningsklyvning, där en elektron lämnar för varje atom (). Som ett resultat bildas två oladdade partiklar med oparade elektroner:
Dessa partiklar kallas fria radikaler.
Fria radikaler- atomer eller grupper av atomer med oparade elektroner.
Reaktioner från fria radikaler- dessa är reaktioner som uppstår under åtgärden och med deltagande av fria radikaler.
Under loppet av oorganisk kemi är dessa reaktioner av interaktion av väte med syre, halogener, förbränningsreaktioner. Reaktioner av denna typ kännetecknas av hög hastighet, frigöring av en stor mängd värme.
En kovalent bindning kan också bildas av donator-acceptormekanismen. En av atomens (eller anjonens) orbitaler, på vilken det ensamma elektronparet är beläget, överlappar den ofyllda orbitalen hos en annan atom (eller katjon) som har en ofylld orbital, och en kovalent bindning bildas, till exempel:
Brytningen av den kovalenta bindningen leder till bildandet av positivt och negativt laddade partiklar (); eftersom i detta fall båda elektronerna från ett gemensamt elektronpar förblir med en av atomerna, har den andra atomen en ofylld orbital:
Tänk på den elektrolytiska dissociationen av syror:
Du kan lätt gissa att en partikel med ett ensamt elektronpar R: -, det vill säga en negativt laddad jon, kommer att attraheras till positivt laddade atomer eller till atomer på vilka det finns åtminstone en partiell eller effektiv positiv laddning.
Partiklar med ensamma elektronpar kallas nukleofila medel (kärna- "kärna", den positivt laddade delen av atomen), det vill säga kärnans "vänner", en positiv laddning.
Nukleofiler(Nu) - anjoner eller molekyler med ett ensamt elektronpar som interagerar med de områden av molekylerna på vilka den effektiva positiva laddningen är koncentrerad.
Exempel på nukleofiler: Cl - (kloridjon), OH - (hydroxidanjon), CH 3 O - (metoxidanjon), CH 3 COO - (acetatanjon).
Partiklar med en ofylld orbital, tvärtom, tenderar att fylla den och kommer därför att attraheras till de områden av molekylerna där det finns en ökad elektrontäthet, negativ laddning och ensamt elektronpar. De är elektrofiler, "vänner" till en elektron, en negativ laddning eller partiklar med en ökad elektrondensitet.
Elektrofiler- katjoner eller molekyler som har en tom elektronisk orbital, som tenderar att fylla den med elektroner, eftersom detta leder till en mer gynnsam elektronisk konfiguration av atomen.
Inte varje partikel är en elektrofil med en ofylld orbital. Så till exempel har katjoner av alkalimetaller konfigurationen av inerta gaser och tenderar inte att förvärva elektroner, eftersom de har en låg elektronaffinitet.
Av detta kan vi dra slutsatsen att, trots närvaron av en ofylld orbital, kommer sådana partiklar inte att vara elektrofiler.
Grundläggande reaktionsmekanismer
Tre huvudtyper av reagerande partiklar har identifierats - fria radikaler, elektrofiler, nukleofiler - och tre motsvarande typer av reaktionsmekanismer:
- fria radikaler;
- elektrofila;
- nullofil.
Förutom klassificeringen av reaktioner efter typen av reagerande partiklar, i organisk kemi, särskiljs fyra typer av reaktioner enligt principen om att ändra sammansättningen av molekyler: addition, substitution, eliminering eller eliminering (från engelska. till eliminera- radera, dela av) och omarrangemang. Eftersom tillsats och substitution kan ske under inverkan av alla tre typerna av reaktiva partiklar, flera störremekanismer för reaktionerna.
Dessutom kommer vi att överväga reaktionerna av klyvning, eller eliminering, som fortsätter under påverkan av nukleofila partiklar - baser.
6. Eliminering:
En utmärkande egenskap hos alkener (omättade kolväten) är förmågan att ingå additionsreaktioner. De flesta av dessa reaktioner sker genom mekanismen för elektrofil addition.
Hydrohalogenering (tillsats av halogen väte):
När vätehalogenid är bunden till en alken väte förenar det mer hydrerade kolatomen, dvs atomen med fler atomer väte och halogen - till mindre hydrogenerad.
