Klasifikácia reakcií
Existujú štyri hlavné typy reakcií, na ktorých sa organické zlúčeniny zúčastňujú: substitúcia (vytesnenie), adícia, eliminácia (štiepenie), preskupenie.
3.1 Substitučné reakcie
Pri reakciách prvého typu sa substitúcia zvyčajne vyskytuje na atóme uhlíka, ale substituovaný atóm môže byť atóm vodíka alebo nejaký iný atóm alebo skupina atómov. Pri elektrofilnej substitúcii sa najčastejšie nahrádza atóm vodíka; príkladom je klasická aromatická substitúcia:
Pri nukleofilnej substitúcii sa častejšie nenahrádza atóm vodíka, ale iné atómy, napr.
NC - + R-Br → NC-R +BR -
3.2 Adičné reakcie
Adičné reakcie môžu byť tiež elektrofilné, nukleofilné alebo radikálové, v závislosti od typu druhu iniciujúceho proces. Pripojenie ku konvenčným dvojitým väzbám uhlík-uhlík je zvyčajne indukované elektrofilom alebo radikálom. Napríklad pridanie HBr
môže začať napadnutím dvojitej väzby protónom H + alebo radikálom Br·.
3.3 Eliminačné reakcie
Eliminačné reakcie sú v podstate opakom adičných reakcií; najbežnejším typom takejto reakcie je eliminácia atómu vodíka a ďalšieho atómu alebo skupiny zo susedných atómov uhlíka za vzniku alkénov:
3.4 Reakcie preusporiadania
Preskupenia môžu nastať aj prostredníctvom medziproduktov, ktorými sú katióny, anióny alebo radikály; najčastejšie tieto reakcie prebiehajú s tvorbou karbokatiónov alebo iných častíc s nedostatkom elektrónov. Preskupenia môžu zahŕňať významné preskupenie uhlíkovej kostry. Po skutočnom kroku preskupenia v takýchto reakciách často nasledujú kroky substitúcie, adície alebo eliminácie vedúce k vytvoreniu stabilného konečného produktu.
Podrobný popis chemickej reakcie v etapách sa nazýva mechanizmus. Z elektronického hľadiska sa pod mechanizmom chemickej reakcie rozumie spôsob štiepenia kovalentných väzieb v molekulách a sled stavov, ktorými prechádzajú reagujúce látky pred premenou na reakčné produkty.
4.1 Reakcie voľných radikálov
Reakcie voľných radikálov sú chemické procesy, na ktorých sa zúčastňujú molekuly s nespárovanými elektrónmi. Niektoré aspekty reakcií voľných radikálov sú jedinečné v porovnaní s inými typmi reakcií. Hlavným rozdielom je, že mnohé reakcie voľných radikálov sú reťazové reakcie. To znamená, že existuje mechanizmus, ktorým sa mnoho molekúl premieňa na produkt prostredníctvom opakujúceho sa procesu iniciovaného vytvorením jedného reaktívneho druhu. Typický príklad je ilustrovaný nasledujúcim hypotetickým mechanizmom:
Stupeň, v ktorom vzniká reakčný medziprodukt, v tomto prípade A·, sa nazýva iniciácia. Táto fáza prebieha pri vysokej teplote, za pôsobenia UV žiarenia alebo peroxidov, v nepolárnych rozpúšťadlách. Nasledujúce štyri rovnice v tomto príklade opakujú postupnosť dvoch reakcií; predstavujú vývojovú fázu reťazca. Reťazové reakcie sú charakterizované dĺžkou reťazca, ktorá zodpovedá počtu vývojových štádií na iniciačné štádium. Druhý stupeň prebieha súčasnou syntézou zlúčeniny a tvorbou nového radikálu, ktorý pokračuje v reťazci transformácií. Posledným krokom je krok ukončenia reťazca, ktorý zahŕňa akúkoľvek reakciu, ktorá zničí jeden z reakčných medziproduktov nevyhnutných na propagáciu reťazca. Čím viac štádií ukončenia reťazca, tým kratšia je dĺžka reťazca.
Reakcie voľných radikálov prebiehajú: 1) na svetle, pri vysokej teplote alebo v prítomnosti radikálov, ktoré vznikajú pri rozklade iných látok; 2) inhibované látkami, ktoré ľahko reagujú s voľnými radikálmi; 3) postupovať v nepolárnych rozpúšťadlách alebo v plynnej fáze; 4) často majú autokatalytickú a indukčnú periódu pred začiatkom reakcie; 5) kineticky sú reťazové.
Radikálové substitučné reakcie sú charakteristické pre alkány a radikálové adičné reakcie sú charakteristické pre alkény a alkíny.
CH4 + Cl2 -> CH3CI + HCl
CH3-CH \u003d CH2 + HBr → CH3-CH2-CH2Br
CH3-C=CH + HCl -> CH3-CH=CHCI
Vzájomné spojenie voľných radikálov a ukončenie reťazca nastáva najmä na stenách reaktora.
4.2 Iónové reakcie
Reakcie, v ktorých heterolytický pretrhnutie väzieb a vznik intermediárnych častíc iónového typu sa nazývajú iónové reakcie.
Iónové reakcie prebiehajú: 1) v prítomnosti katalyzátorov (kyselín alebo zásad a nie sú ovplyvnené svetlom alebo voľnými radikálmi, najmä vznikajúcimi pri rozklade peroxidov); 2) nie sú ovplyvnené lapačmi voľných radikálov; 3) povaha rozpúšťadla ovplyvňuje priebeh reakcie; 4) zriedkavo sa vyskytujú v plynnej fáze; 5) kineticky sú to najmä reakcie prvého alebo druhého rádu.
Podľa povahy činidla pôsobiaceho na molekulu sa iónové reakcie delia na elektrofilné A nukleofilné. Nukleofilné substitučné reakcie sú charakteristické pre alkyl a aryl halogenidy,
CH3CI + H20 → CH30H + HCl
C6H5-Cl + H20 -> C6H5-OH + HCl
C2H5OH + HCl -> C2H5CI + H20
C2H5NH2 + CH3CI → CH3-NH-C2H5 + HCl
elektrofilná substitúcia - za alkány v prítomnosti katalyzátorov
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH (CH3)-CH2-CH3
a arény.
C6H6 + HNO3 + H2S04 → C6H5-NO2 + H20
Elektrofilné adičné reakcie sú charakteristické pre alkény
CH3-CH \u003d CH2 + Br2 → CH3-CHBr-CH2Br
a alkíny
CH=CH + Cl2 -> CHCl=CHCl
nukleofilná adícia - pre alkíny.
CH3-C≡CH + C2H5OH + NaOH → CH3-C (OC2H5) = CH2
Klasifikácia reakcií Podľa počtu východiskových a konečných látok: 1. Prístup 2. Eliminácia (eliminácia) 3. Substitúcia
Klasifikácia reakcií Podľa mechanizmu rozpadu väzby: 1. Homolytické (radikálové) radikály 2. Heterolytické (iónové) ióny
Mechanizmus reakcie Mechanizmus - podrobný popis chemickej reakcie po etapách s uvedením medziproduktov a častíc. Schéma reakcie: Mechanizmus reakcie:
Klasifikácia reakcií podľa typu činidiel 1. Radikál Radikál je chemicky aktívna častica s nepárovým elektrónom. 2. Elektrofilný Elektrofil je elektrón-deficientná častica alebo molekula s elektrón-deficientným atómom. 3. Nukleofil Nukleofil je anión alebo neutrálna molekula, ktorá má atóm s nezdieľaným elektrónovým párom.
Typy chemických väzieb v organických látkach Hlavný typ väzby je kovalentná (iónová je menej častá) Sigma väzba (σ-): Pi väzba (-)
ALKÁN - alifatické (mastné) uhľovodíky "Alifatos" - olej, tuk (gr.). Cn. H 2 n+2 Limit, nasýtené uhľovodíky
Homológny rad: CH 4 - metán C 2 H 6 - etán C 3 H 8 - propán C 4 H 10 - bután C 5 H 12 - pentán atď. C 6 H 14 - hexán C 7 H 16 - heptán C 8 H 18 - oktán C 9 H 20 - nonán C 10 H 22 - dekán a C 390 H 782 - bezkontaktný (1985)
Atómový orbitálny model molekuly metánu V molekule metánu už atóm uhlíka nemá S- a P-orbitály! Jeho 4 hybridné orbitály SP 3, ktoré sú energeticky a tvarovo ekvivalentné, tvoria 4 väzby s orbitálmi S atómu vodíka. HH4-väzby
Nitračná reakcia Konovalov Dmitrij Petrovič (1856 -1928) 1880. Prvý úspešný pokus o oživenie „chemických mŕtvych“, ktorí boli považovaní za alkány. Našiel podmienky pre nitráciu alkánov. Ryža. Zdroj: http: //obrázky. yandex. ru.
Chemické vlastnosti I. Reakcie so štiepením väzieb C-H (substitučné reakcie): 1. halogenácia 2. nitrácia 3. sulfochlorácia II. Reakcie s pretrhnutím väzieb C-C: 1. spaľovanie 2. krakovanie 3. izomerizácia
Ako nájsť chemika? Ak chcete nájsť chemika, opýtajte sa, čo je krtek a neionizované. A ak začne rozprávať o kožušinových zvieratách a organizácii práce, pokojne odíďte. Beletrista, popularizátor vedy Isaac Asimov (1920–1992) Obr. Zdroj: http: //obrázky. yandex. ru.
1. Halogenačná reakcia Chlorácia: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromácia: RH + Br 2 hv RBr + HBr Napríklad chlorácia metánu: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl
Štádiá mechanizmu voľných radikálov Schéma reakcie: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Mechanizmus reakcie: I. Iniciácia reťazca - štádium tvorby voľných radikálov. Cl Cl 2 Cl Radikál je aktívna častica, iniciátor reakcie. – – Javisko si vyžaduje energiu vo forme vykurovania alebo osvetlenia. Nasledujúce kroky môžu prebiehať v tme, bez zahrievania.
Etapy mechanizmu voľných radikálov II. Hlavnou fázou je rast reťazca. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Stupeň môže zahŕňať niekoľko podstupňov, z ktorých každý tvorí nový radikál, ale nie H !!! V II, hlavnej fáze, sa nevyhnutne tvorí hlavný produkt!
Etapy mechanizmu voľných radikálov III. Ukončenie reťazca je rekombinácia radikálov. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Akékoľvek dva radikály sa spoja.
Selektivita substitúcie Selektivita - selektivita. Regioselektivita - selektivita v určitej oblasti reakcií. Napríklad selektivita halogenácie: 45 % 3 % Záver? 55 % 97 %
Selektivita halogenácie závisí od nasledujúcich faktorov: Reakčné podmienky. Pri nízkych teplotách je selektívnejší. povaha halogénu. Čím je halogén aktívnejší, tým je reakcia menej selektívna. F 2 reaguje veľmi energicky, pričom dochádza k deštrukcii väzieb C-C. I2 za týchto podmienok nereaguje s alkánmi. Štruktúra alkánu.
Vplyv alkánovej štruktúry na substitučnú selektivitu. Ak sú atómy uhlíka v alkáne nerovnaké, potom substitúcia pre každý z nich prebieha inou rýchlosťou. Pomerne. rýchlosť substitučnej reakcie atóm H Sekundárny atóm H tert. Chlorácia atómu H 1 3, 9 5, 1 bromácia 1 82 1600 Záver?
Oddelenie terciárneho atómu vodíka vyžaduje menej energie ako oddelenie sekundárneho a primárneho! Alkánový vzorec Výsledok homolýzy 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
Smer reakcií Akákoľvek reakcia prebieha prevažne v smere vzniku stabilnejšej medzičastice!
Medziproduktová častica v radikálových reakciách je voľný radikál. Najstabilnejší radikál sa tvorí najľahšie! Rad radikálovej stability: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 Alkylové skupiny vykazujú elektrón-donorový efekt, vďaka ktorému stabilizujú radikál
Sulfochloračná reakcia Schéma reakcie: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Mechanizmus reakcie: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl atď 3 2 Cl 2 atď.
Reakcia D. P. Konovalova.Nitrácia podľa Konovalova sa uskutočňuje pôsobením zriedenej kyseliny dusičnej pri teplote 140 o. C. Reakčná schéma: RH + HNO3RNO2 + H20
Mechanizmus Konovalovovej reakcie 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 atď. 3 .Otvorený okruh.
Alkény sú nenasýtené uhľovodíky s jednou väzbou C=C Cn. H 2 n C \u003d C - funkčná skupina alkénov
Chemické vlastnosti alkénov Všeobecná charakteristika Alkény sú reaktívnou triedou zlúčenín. Vstupujú do mnohých reakcií, z ktorých väčšina je spôsobená porušením menej pevnej väzby pí. Е С-С (σ-) ~ 350 KJ/mol Е С=С (-) ~ 260 KJ/mol
Charakteristické reakcie Adícia je najcharakteristickejším typom reakcií. Dvojitá väzba je donor elektrónov, takže má tendenciu pridávať: E - elektrofily, katióny alebo radikály
Príklady elektrofilných adičných reakcií 1. Adícia halogénov - Nepridávajú sa všetky halogény, ale iba chlór a bróm! – K polarizácii molekuly neutrálneho halogénu môže dôjsť pôsobením polárneho rozpúšťadla alebo pôsobením dvojitej väzby alkénu. Červeno-hnedý roztok brómu sa stáva bezfarebným
Elektrofilná adícia Reakcie prebiehajú pri izbovej teplote a nevyžadujú osvetlenie. Iónový mechanizmus. Reakčná schéma: XY \u003d Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H20
Sigma komplex je karbokation - častica s kladným nábojom na atóme uhlíka. Ak sú v reakčnom médiu prítomné iné anióny, môžu sa tiež pripojiť k karbokationtu.
Napríklad pridanie brómu rozpusteného vo vode. Táto kvalitatívna reakcia pre dvojitú väzbu C=C prebieha odfarbovaním roztoku brómu a tvorbou dvoch produktov:
Adícia k nesymetrickým alkénom Regioselektivita adície! Markovnikovovo pravidlo (1869): Kyseliny a voda sa pridávajú k nesymetrickým alkénom tak, že vodík je pripojený k viac hydrogenovanému atómu uhlíka.
Markovnikov Vladimir Vasilievich (1837 - 1904) Absolvent Kazanskej univerzity. Od roku 1869 - profesor katedry chémie. Zakladateľ vedeckej školy. Ryža. Zdroj: http: //obrázky. yandex. ru.
Vysvetlenie Markovnikovovho pravidla Reakcia prebieha cez tvorbu najstabilnejšej intermediárnej častice – karbokationu. primárne sekundárne, stabilnejšie
Séria stability karbokácie: Markovnikovovo pravidlo terciárneho sekundárneho primárneho metylu v modernej formulácii: pridanie protónu k alkénu nastáva za vzniku stabilnejšieho karbokationu.
Anti-Markovnikovova adícia CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formálne je reakcia v rozpore s Markovnikovovým pravidlom. CF 3 - substituent priťahujúci elektróny Iné činidlá priťahujúce elektróny: NO 2, SO 3 H, COOH, halogény atď.
Anti-Markovnikovova adícia stabilnejšia nestabilná CF 3 - akceptor elektrónov, destabilizuje karbokáciu Reakcia ide proti Markovnikovovmu pravidlu len formálne. V skutočnosti poslúcha, pretože prechádza stabilnejšou karbokáciou.
Harash peroxidový efekt X CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X \u003d O 2, H 2 O 2, ROOR Mechanizmus voľných radikálov: 1. H 2 O 2 2 OH + HBr H 2 O + Br 2. CH3-CH \u003d CH2 + Br CH3-CH-CH2Br je stabilnejší radikál CH3-CH-CH2Br + HBr CH3-CH2Br + Br atď. 3. Akýkoľvek sú medzi vami spojené dva radikály.
Elektrofilná adícia 3. Hydratácia - adícia vody - Reakcia prebieha za prítomnosti kyslých katalyzátorov, najčastejšie je to kyselina sírová. Reakcia sa riadi Markovnikovovým pravidlom. Lacný spôsob, ako získať alkohol
Na skúške akademik Ivan Alekseevič Kablukov žiada študenta, aby povedal, ako sa v laboratóriu získava vodík. „Merkúr,“ odpovedá. „Ako je to „z ortuti“? ! Zvyčajne sa hovorí "zo zinku", ale z ortuti - to je niečo originálne. Napíšte reakciu. Študent píše: Hg \u003d H + g A hovorí: „Ortuť sa zahrieva; rozkladá sa na H a g. H je vodík, je ľahký a preto letí preč a g je gravitačné zrýchlenie, ťažké, zostáva. "Pre takúto odpoveď musíte zadať" päť, "hovorí Kablukov. - Urobme si poznámku. Len tú „päťku“ tiež najskôr rozcvičím. "Tri" odletí a "dva" zostane.
Dvaja chemici v laboratóriu: - Vasya, položte ruku do tohto pohára. - Nechal som to. - Cítiš niečo? - Nie. - Takže kyselina sírová v inom pohári.
Aromatické uhľovodíky Aromatické - voňavé? ? Aromatické zlúčeniny sú benzén a látky, ktoré sa mu chemickým správaním podobajú!
Mechanizmy organických reakcií
| Názov parametra | Význam |
| Predmet článku: | Mechanizmy organických reakcií |
| Rubrika (tematická kategória) | Vzdelávanie |
Klasifikácia reakcií
Existujú štyri hlavné typy reakcií, na ktorých sa organické zlúčeniny zúčastňujú: substitúcia (vytesnenie), adícia, eliminácia (štiepenie), preskupenia.
3.1 Substitučné reakcie
Pri reakciách prvého typu sa substitúcia zvyčajne vyskytuje na atóme uhlíka, ale substituovaný atóm musí byť atóm vodíka alebo nejaký iný atóm alebo skupina atómov. Pri elektrofilnej substitúcii sa najčastejšie nahrádza atóm vodíka; príkladom je klasická aromatická substitúcia:
Pri nukleofilnej substitúcii sa častejšie nenahrádza atóm vodíka, ale iné atómy, napr.
NC - + R-Br → NC-R +BR -
3.2 Adičné reakcie
Adičné reakcie sú tiež elektrofilné, nukleofilné alebo radikálové na základe typu častíc, ktoré iniciujú proces. Väzba na bežné dvojité väzby uhlík-uhlík je spravidla indukovaná elektrofilom alebo radikálom. Napríklad pridanie HBr
môže začať napadnutím dvojitej väzby protónom H + alebo radikálom Br·.
3.3 Eliminačné reakcie
Eliminačné reakcie sú v podstate opakom adičných reakcií; najbežnejším typom takejto reakcie je eliminácia atómu vodíka a ďalšieho atómu alebo skupiny zo susedných atómov uhlíka za vzniku alkénov:
3.4 Reakcie preusporiadania
Preskupenia môžu prebiehať aj cez medziproduktové zlúčeniny, ktorými sú katióny, anióny alebo radikály; najčastejšie tieto reakcie prebiehajú s tvorbou karbokatiónov alebo iných častíc s nedostatkom elektrónov. Preskupenia môžu zahŕňať významné preskupenie uhlíkovej kostry. Po skutočnom kroku preskupenia v takýchto reakciách často nasledujú kroky substitúcie, adície alebo eliminácie, čo vedie k vytvoreniu stabilného konečného produktu.
Podrobný popis chemickej reakcie podľa etáp sa zvyčajne nazýva mechanizmus. Z elektronického hľadiska sa pod mechanizmom chemickej reakcie rozumie spôsob štiepenia kovalentných väzieb v molekulách a sled stavov, ktorými prechádzajú reagujúce látky pred premenou na reakčné produkty.
4.1 Reakcie voľných radikálov
Reakcie voľných radikálov - ϶ᴛᴏ chemické procesy, na ktorých sa zúčastňujú molekuly s nespárovanými elektrónmi. Niektoré aspekty reakcií voľných radikálov sú jedinečné v porovnaní s inými typmi reakcií. Hlavným rozdielom je, že mnohé reakcie voľných radikálov sú reťazové reakcie. To znamená, že existuje mechanizmus, ktorým sa mnoho molekúl premieňa na produkt prostredníctvom opakujúceho sa procesu iniciovaného vytvorením jedného reaktívneho druhu. Typický príklad je ilustrovaný nasledujúcim hypotetickým mechanizmom:
Stupeň, v ktorom vzniká reakčný medziprodukt, v tomto prípade A·, sa bežne nazýva iniciácia. Táto fáza prebieha pri vysokej teplote, za pôsobenia UV žiarenia alebo peroxidov, v nepolárnych rozpúšťadlách. Nasledujúce štyri rovnice v tomto príklade opakujú postupnosť dvoch reakcií; predstavujú vývojovú fázu reťazca. Reťazové reakcie sú charakterizované dĺžkou reťazca, ktorá zodpovedá počtu vývojových štádií na iniciačné štádium. Druhý stupeň prebieha súčasnou syntézou zlúčeniny a tvorbou nového radikálu, ktorý pokračuje v reťazci transformácií. Posledným krokom je krok ukončenia reťazca, ktorý zahŕňa akúkoľvek reakciu, ktorá zničí jeden z reakčných medziproduktov nevyhnutných na propagáciu reťazca. Čím viac štádií ukončenia reťazca, tým kratšia je dĺžka reťazca.
Reakcie voľných radikálov prebiehajú: 1) na svetle, pri vysokej teplote alebo v prítomnosti radikálov, ktoré vznikajú pri rozklade iných látok; 2) inhibované látkami, ktoré ľahko reagujú s voľnými radikálmi; 3) postupovať v nepolárnych rozpúšťadlách alebo v plynnej fáze; 4) často majú autokatalytickú a indukčnú periódu pred začiatkom reakcie; 5) v kinetickom zmysle sú reťazové.
Radikálové substitučné reakcie sú charakteristické pre alkány a radikálové adičné reakcie sú charakteristické pre alkény a alkíny.
CH4 + Cl2 -> CH3CI + HCl
CH3-CH \u003d CH2 + HBr → CH3-CH2-CH2Br
CH3-C=CH + HCl -> CH3-CH=CHCI
Vzájomná kombinácia voľných radikálov a ukončenie reťazca sa vyskytuje hlavne na stenách reaktora.
4.2 Iónové reakcie
Reakcie, v ktorých heterolytický pretrhnutie väzieb a vznik intermediárnych častíc iónového typu sa nazývajú iónové reakcie.
Iónové reakcie prebiehajú: 1) v prítomnosti katalyzátorov (kyselín alebo zásad a nie sú ovplyvnené svetlom alebo voľnými radikálmi, najmä vznikajúcimi pri rozklade peroxidov); 2) nie sú ovplyvnené lapačmi voľných radikálov; 3) povaha rozpúšťadla ovplyvňuje priebeh reakcie; 4) zriedkavo sa vyskytujú v plynnej fáze; 5) kineticky sú to najmä reakcie prvého alebo druhého rádu.
Podľa povahy činidla ͵ pôsobiaceho na molekulu sa iónové reakcie delia na elektrofilné A nukleofilné. Nukleofilné substitučné reakcie sú charakteristické pre alkyl a aryl halogenidy,
CH3CI + H20 → CH30H + HCl
C6H5-Cl + H20 -> C6H5-OH + HCl
C2H5OH + HCl -> C2H5CI + H20
C2H5NH2 + CH3CI → CH3-NH-C2H5 + HCl
elektrofilná substitúcia - za alkány v prítomnosti katalyzátorov
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH (CH3)-CH2-CH3
a arény.
C6H6 + HNO3 + H2S04 → C6H5-NO2 + H20
Elektrofilné adičné reakcie sú charakteristické pre alkény
CH3-CH \u003d CH2 + Br2 → CH3-CHBr-CH2Br
a alkíny
CH=CH + Cl2 -> CHCl=CHCl
nukleofilná adícia - pre alkíny.
CH3-C≡CH + C2H5OH + NaOH → CH3-C (OC2H5) = CH2
Mechanizmy organických reakcií - pojem a typy. Klasifikácia a vlastnosti kategórie "Mechanizmy organických reakcií" 2017, 2018.
Reakcie organických látok možno formálne rozdeliť do štyroch hlavných typov: substitúcia, adícia, eliminácia (eliminácia) a preskupenie (izomerizácia). Je zrejmé, že celý rad reakcií organických zlúčenín nemožno zredukovať na navrhovanú klasifikáciu (napríklad reakcie horenia). Takáto klasifikácia však pomôže vytvoriť analógie s už známymi reakciami, ktoré sa vyskytujú medzi anorganickými látkami.
Spravidla sa hlavná organická zlúčenina zapojená do reakcie nazýva substrát a druhá zložka reakcie sa podmienečne považuje za činidlo.
Substitučné reakcie- sú to reakcie, ktorých výsledkom je nahradenie jedného atómu alebo skupiny atómov v pôvodnej molekule (substráte) inými atómami alebo skupinami atómov.
Substitučné reakcie zahŕňajú nasýtené a aromatické zlúčeniny, ako sú alkány, cykloalkány alebo arény. Uveďme príklady takýchto reakcií.
Pôsobením svetla môžu byť atómy vodíka v molekule metánu nahradené atómami halogénu, napríklad atómami chlóru:
Ďalším príkladom nahradenia vodíka halogénom je premena benzénu na brómbenzén:
Rovnica pre túto reakciu môže byť napísaná inak:
Pri tejto forme záznamu sú činidlá, katalyzátor, reakčné podmienky napísané nad šípkou a anorganické reakčné produkty pod ňou.
V dôsledku reakcií substitúcie v organických látkach vznikajú nie jednoduché a zložité látky, ako v anorganickej chémii, a dve komplexné látky.
Adičné reakcie
Adičné reakcie sú reakcie, pri ktorých sa dve alebo viac molekúl reaktantov spája do jednej.
Nenasýtené zlúčeniny, ako sú alkény alebo alkíny, vstupujú do adičných reakcií. Podľa toho, ktorá molekula pôsobí ako činidlo, sa rozlišujú hydrogenačné (alebo redukčné), halogenačné, hydrohalogenačné, hydratačné a iné adičné reakcie. Každý z nich si vyžaduje určité podmienky.
1.Hydrogenácia- reakcia pridania molekuly vodíka na násobnú väzbu:
2. Hydrohalogenácia- adičná reakcia s halogenovodíkom (hydrochlorácia):
3. Halogenácia- adičná reakcia halogénu:
4.Polymerizácia- špeciálny druh adičných reakcií, pri ktorých sa molekuly látky s malou molekulovou hmotnosťou navzájom spájajú za vzniku molekúl látky s veľmi vysokou molekulovou hmotnosťou - makromolekúl.
Polymerizačné reakcie sú procesy spájania mnohých molekúl látky s nízkou molekulovou hmotnosťou (monomér) do veľkých molekúl (makromolekúl) polyméru.
Príkladom polymerizačnej reakcie je výroba polyetylénu z etylénu (eténu) pôsobením ultrafialového žiarenia a iniciátora radikálovej polymerizácie R.
Kovalentná väzba, ktorá je najcharakteristickejšia pre organické zlúčeniny, vzniká pri prekrývaní atómových orbitálov a vytváraní spoločných elektrónových párov. V dôsledku toho sa vytvorí orbitál spoločný pre dva atómy, na ktorom sa nachádza spoločný elektrónový pár. Keď je väzba prerušená, osud týchto spoločných elektrónov môže byť odlišný.
Orbitál s nespárovaným elektrónom patriacim k jednému atómu sa môže prekrývať s orbitálom iného atómu, ktorý tiež obsahuje nespárovaný elektrón. V tomto prípade dochádza k tvorbe kovalentnej väzby podľa mechanizmu výmeny:
Mechanizmus výmeny na vytvorenie kovalentnej väzby sa realizuje, ak sa z nespárovaných elektrónov patriacich rôznym atómom vytvorí spoločný elektrónový pár.
Opačným procesom k vytvoreniu kovalentnej väzby mechanizmom výmeny je štiepenie väzby, pri ktorom jeden elektrón () prechádza ku každému atómu. V dôsledku toho sa vytvoria dve nenabité častice s nepárovými elektrónmi:
Takéto častice sa nazývajú voľné radikály.
voľné radikály- atómy alebo skupiny atómov s nepárovými elektrónmi.
Reakcie voľných radikálov sú reakcie, ktoré sa vyskytujú pri pôsobení a za účasti voľných radikálov.
V priebehu anorganickej chémie sú to reakcie interakcie vodíka s kyslíkom, halogény, spaľovacie reakcie. Reakcie tohto typu sa vyznačujú vysokou rýchlosťou, uvoľňovaním veľkého množstva tepla.
Kovalentná väzba môže byť vytvorená aj mechanizmom donor-akceptor. Jeden z orbitálov atómu (alebo aniónu), ktorý obsahuje nezdieľaný elektrónový pár, sa prekrýva s nevyplneným orbitálom iného atómu (alebo katiónu), ktorý má nevyplnený orbitál a vzniká kovalentná väzba, napr.
Prerušenie kovalentnej väzby vedie k tvorbe kladne a záporne nabitých častíc (); keďže v tomto prípade oba elektróny zo spoločného elektrónového páru zostávajú s jedným z atómov, druhý atóm má nevyplnený orbitál:
Zvážte elektrolytickú disociáciu kyselín:
Dá sa ľahko uhádnuť, že častica, ktorá má nezdieľaný elektrónový pár R:-, t.j. záporne nabitý ión, bude priťahovaná kladne nabitými atómami alebo atómami, na ktorých je aspoň čiastočný alebo účinný kladný náboj.
Častice s nezdieľanými elektrónovými pármi sa nazývajú nukleofilné činidlá (jadro- "jadro", kladne nabitá časť atómu), teda "priatelia" jadra, kladný náboj.
Nukleofily(Nu) - anióny alebo molekuly, ktoré majú osamelý elektrónový pár, interagujúce s oblasťami molekúl, na ktorých je sústredený efektívny kladný náboj.
Príklady nukleofilov: Cl - (chloridový ión), OH - (hydroxidový anión), CH 3 O - (metoxidový anión), CH 3 COO - (acetátový anión).
Častice, ktoré majú nevyplnený orbitál, budú mať naopak tendenciu ho vyplniť, a preto budú priťahované k oblastiam molekúl, ktoré majú zvýšenú elektrónovú hustotu, záporný náboj a nezdieľaný elektrónový pár. Sú to elektrofily, „priatelia“ elektrónu, záporný náboj alebo častice so zvýšenou hustotou elektrónov.
elektrofilov- katióny alebo molekuly, ktoré majú nevyplnený elektrónový orbitál, majúci tendenciu ho zapĺňať elektrónmi, pretože to vedie k priaznivejšej elektrónovej konfigurácii atómu.
Nie každá častica je elektrofil s prázdnym orbitálom. Takže napríklad katióny alkalických kovov majú konfiguráciu inertných plynov a nemajú tendenciu získavať elektróny, pretože majú nízku elektrónová afinita.
Z toho môžeme usúdiť, že napriek prítomnosti nevyplneného orbitálu takéto častice nebudú elektrofilmi.
Existujú tri hlavné typy reagujúcich častíc – voľné radikály, elektrofily, nukleofily – a tri zodpovedajúce typy reakčného mechanizmu:
Okrem klasifikácie reakcií podľa typu reagujúcich častíc organická chémia rozlišuje štyri typy reakcií podľa princípu zmeny zloženia molekúl: adícia, substitúcia, eliminácia alebo eliminácia (z angl. do eliminovať- vymazať, oddeliť) a preskupiť. Pretože k adícii a substitúcii môže dôjsť pri pôsobení všetkých troch typov reaktívnych druhov, niekoľkých hlavnýreakčné mechanizmy.
Okrem toho zvážte štiepne alebo eliminačné reakcie, ktoré prebiehajú pod vplyvom nukleofilných častíc - zásad.
6. Eliminácia:
Charakteristickým znakom alkénov (nenasýtených uhľovodíkov) je schopnosť vstupovať do adičných reakcií. Väčšina týchto reakcií prebieha mechanizmom elektrofilnej adície.
Hydrohalogenácia (pridanie halogénu vodík):
Keď sa k alkénu pridá halogenovodík vodík sa pridáva k ďalšiemu hydrogenovanému atóm uhlíka, teda atóm, na ktorom je viac atómov vodík a halogén - na menej hydrogenované.
Typy chemických reakcií v anorganickej a organickej chémii.
1. Chemická reakcia je proces, pri ktorom z jednej látky vznikajú ďalšie látky. V závislosti od povahy procesu sa rozlišujú typy chemických reakcií.
1) Podľa konečného výsledku
2) Na základe uvoľňovania alebo absorpcie tepla
3) Na základe reverzibility reakcie
4) Na základe zmeny stupňa oxidácie atómov, ktoré tvoria reaktanty
Podľa konečného výsledku sú reakcie nasledujúcich typov:
A) Substitúcia: RH+Cl2 -> RCI+HCl
B) Prístup: CH2 \u003d CH2 + Cl2 → CH2CI-CH2CI
C) Štiepenie: CH3-CH2OH → CH2 \u003d CH2 + H20
D) Rozklad: CH4 -> C + 2H 2
D) Izomerizácia
E) Výmena
G) Spojenia
Reakcia rozkladu Proces, pri ktorom z jednej látky vznikajú dve alebo viac iných látok.
Výmenná reakcia nazývaný proces, v ktorom si reaktanty vymieňajú zložky.
Substitučné reakcie sa vyskytujú za účasti jednoduchých a zložitých látok, v dôsledku čoho vznikajú nové jednoduché a zložité látky.
Ako výsledok zložené reakcie z dvoch alebo viacerých látok vzniká jedna nová látka.
Na základe uvoľňovania alebo absorpcie reakčného tepla existujú tieto typy:
A) exotermický
B) Endotermické
Exotermický - Sú to reakcie, pri ktorých sa uvoľňuje teplo.
Endotermický sú reakcie, ktoré absorbujú teplo z prostredia.
Na základe reverzibility sú reakcie nasledujúcich typov:
A) reverzibilné
B) nezvratné
Reakcie, ktoré prebiehajú len jedným smerom a končia úplnou premenou východiskových reaktantov na konečné látky, sa nazývajú nezvratné.
reverzibilné Reakcie sa nazývajú tie, ktoré súčasne prebiehajú v dvoch vzájomne opačných smeroch.
Na základe zmeny oxidačného stavu atómov, ktoré tvoria reaktanty, sú reakcie nasledujúcich typov:
A) redoxná
Reakcie, ktoré sa vyskytujú pri zmene oxidačného stavu atómov (pri ktorých sa elektróny prenášajú z jedného atómu, molekúl alebo iónov na iné), sa nazývajú redox.
2. Podľa mechanizmu reakcie sa delia na iónové a radikálové.
Iónové reakcie- interakcia medzi iónmi v dôsledku heterolytického pretrhnutia chemickej väzby (pár elektrónov úplne prejde na jeden z "fragmentov").
Iónové reakcie sú dvoch typov (podľa typu činidla):
A) elektrofilné - počas reakcie s elektrofilom.
elektrofilné- zoskupenie, ktoré má voľné orbitály pre niektoré atómy alebo centrá so zníženou elektrónovou hustotou (napríklad: H +, Cl - alebo AlCl 3)
B) Nukleofilné - v priebehu interakcie s nukleofilom
Nukleofil - záporne nabitý ión alebo molekula s nezdieľaným elektrónovým párom (v súčasnosti sa nezúčastňuje na tvorbe chemickej väzby).
(Príklady: F-, Cl-, RO-, I-).
Skutočné chemické procesy možno len v ojedinelých prípadoch opísať jednoduchými mechanizmami. Detailné skúmanie chemických procesov z hľadiska molekulovej kinetiky ukazuje, že väčšina z nich prebieha mechanizmom radikálového reťazca, znakom reťazcových p-tionov je tvorba voľných radikálov v medzistupňoch (nestabilné fragmenty molekúl alebo atómov s krátka životnosť, všetky majú bezplatné pripojenie.
Procesy horenia, výbuchu, oxidácie, fotochemické reakcie, biochemické reakcie v živých organizmoch prebiehajú podľa reťazového mechanizmu.
Reťazové obvody majú niekoľko fáz:
1) nukleácia reťazca - štádium p-tionu reťazca, v dôsledku ktorého vznikajú voľné radikály z valenčne nasýtených molekúl.
2) pokračovanie reťazca - štádium reťazca p-tionu, pričom sa zachováva celkový počet voľných štádií.
3) prerušenie reťazca - elementárne štádium reťazcov p-tionu vedúce k zániku voľných väzieb.
Existujú rozvetvené a nerozvetvené reťazové reakcie.
Jedným z najdôležitejších konceptov reťazca je dĺžka reťaze- priemerný počet elementárnych štádií pokračovania reťazca po objavení sa voľného radikálu až do jeho zániku.
Príklad: Syntéza chlorovodíka
1) m-la CL 2 absorbuje kvantum energie a obraz 2 radikálov: CL 2 + hv \u003d CL * + CL *
2) aktívna častica sa spája s m-molekulou H2 tvoriacou kyselinu chlorovodíkovú a aktívnou časticou H2: CL 1 + H 2 \u003d HCL + H *
3)CL1+H2=HCL+CL * atď.
6) H * + CL * \u003d HCL - otvorený okruh.
Rozvetvený mechanizmus:
F * + H 2 \u003d HF + H * atď.
F * + H 2 \u003d HF + H * atď.
Vo vode je to náročnejšie - vznikajú OH*, O* radikály a H* radikály.
Reakcie, ktoré sa vyskytujú pod vplyvom ionizujúceho žiarenia: röntgenové lúče, katódové lúče atď. nazývané rádiochemické.
V dôsledku interakcie molekúl so žiarením sa pozoruje rozpad molekúl s tvorbou najreaktívnejších častíc.
Takéto reakcie prispievajú k rekombinácii častíc a tvorbe látok s ich rôznymi kombináciami.
Príkladom je hydrazín N 2 H 4 – zložka raketového paliva. Nedávno sa uskutočnili pokusy získať hydrazín z amoniaku v dôsledku vystavenia γ-lúčom:
NH 3 → NH 2 * + H *
2NH2* —>N2H4
Pre životne dôležitú činnosť organizmov sú dôležité rádiochemické reakcie, ako je rádiolýza vody.
Literatúra:
1. Achmetov, N.S. Všeobecná a anorganická chémia / N.S. Achmetov. - 3. vyd. - M .: Vyššia škola, 2000. - 743 s.
