Koje su reakcije u organskoj hemiji? Mehanizmi organskih reakcija

Reakcije organskih supstanci mogu se formalno podijeliti u četiri glavna tipa: zamjena, dodavanje, eliminacija (eliminacija) i preuređenje (izomerizacija). Očigledno je da se čitav niz reakcija organskih spojeva ne može svesti na predloženu klasifikaciju (na primjer, reakcije sagorijevanja). Međutim, takva klasifikacija će pomoći u uspostavljanju analogija s reakcijama koje se javljaju između neorganskih supstanci koje su vam već poznate.

Obično se glavni organski spoj uključen u reakciju zove supstrat, a druga komponenta reakcije se konvencionalno smatra kao reagens.

Reakcije supstitucije

Reakcije supstitucije- to su reakcije koje rezultiraju zamjenom jednog atoma ili grupe atoma u izvornom molekulu (supstratu) drugim atomima ili grupama atoma.

Reakcije supstitucije uključuju zasićena i aromatična jedinjenja kao što su alkani, cikloalkani ili areni. Navedimo primjere takvih reakcija.

Pod utjecajem svjetlosti, atomi vodika u molekuli metana mogu se zamijeniti atomima halogena, na primjer, atomima klora:

Drugi primjer zamjene vodika halogenom je konverzija benzena u bromobenzen:

Jednačina za ovu reakciju može se napisati drugačije:

Kod ovog oblika pisanja, reagensi, katalizator i uslovi reakcije su upisani iznad strelice, a neorganski produkti reakcije ispod nje.

Kao rezultat reakcija supstitucije u organskim supstancama nastaju ne jednostavne i složene supstance, kao u neorganskoj hemiji, i dva složene supstance.

Reakcije sabiranja

Reakcije sabiranja- to su reakcije uslijed kojih se dva ili više molekula reagujućih tvari spajaju u jednu.

Nezasićena jedinjenja kao što su alkeni ili alkini prolaze kroz reakcije adicije. Ovisno o tome koja molekula djeluje kao reagens, razlikuju se hidrogenacija (ili redukcija), halogenacija, hidrohalogenacija, hidratacija i druge reakcije adicije. Svaki od njih zahteva određene uslove.

1.Hidrogenacija- reakcija adicije molekule vodika preko višestruke veze:

2. Hidrohalogenacija- reakcija dodavanja halogenovodonika (hidrokloracija):

3. Halogenacija- reakcija adicije halogena:

4.Polimerizacija- posebna vrsta reakcije adicije u kojoj se molekuli tvari male molekulske mase spajaju jedni s drugima i formiraju molekule tvari vrlo velike molekularne mase - makromolekule.

Reakcije polimerizacije su procesi spajanja mnogih molekula male molekularne tvari (monomera) u velike molekule (makromolekule) polimera.

Primjer reakcije polimerizacije je proizvodnja polietilena iz etilena (etena) pod djelovanjem ultraljubičastog zračenja i inicijatora radikalne polimerizacije R.

Kovalentna veza najkarakterističnija za organska jedinjenja nastaje kada se atomske orbitale preklapaju i formiraju se zajednički elektronski parovi. Kao rezultat toga, formira se orbitala zajednička za dva atoma, u kojoj se nalazi zajednički elektronski par. Kada se veza prekine, sudbina ovih zajedničkih elektrona može biti različita.

Vrste reaktivnih čestica

Orbitala s nesparenim elektronom koji pripada jednom atomu može se preklapati s orbitalom drugog atoma koji također sadrži nespareni elektron. U ovom slučaju, kovalentna veza se formira prema mehanizmu razmjene:

Mehanizam izmjene za formiranje kovalentne veze ostvaruje se ako se od nesparenih elektrona koji pripadaju različitim atomima formira zajednički elektronski par.

Proces suprotan formiranju kovalentne veze mehanizmom razmjene je cijepanje veze, u kojem se gubi jedan elektron za svaki atom (). Kao rezultat toga, formiraju se dvije nenabijene čestice koje imaju nesparene elektrone:

Takve čestice se nazivaju slobodni radikali.

Slobodni radikali- atomi ili grupe atoma koji imaju nesparene elektrone.

Reakcije slobodnih radikala- to su reakcije koje nastaju pod uticajem i uz učešće slobodnih radikala.

U toku neorganske hemije, to su reakcije vodonika sa kiseonikom, halogeni i reakcije sagorevanja. Reakcije ovog tipa karakteriziraju velika brzina i oslobađanje velike količine topline.

Kovalentna veza može se formirati i mehanizmom donor-akceptor. Jedna od orbitala atoma (ili aniona) koja ima usamljeni par elektrona preklapa se sa nezauzetom orbitalom drugog atoma (ili kationa) koji ima nezauzetu orbitalu i formira se kovalentna veza, na primjer:

Puknuće kovalentne veze dovodi do stvaranja pozitivno i negativno nabijenih čestica (); budući da u ovom slučaju oba elektrona iz zajedničkog elektronskog para ostaju s jednim od atoma, drugi atom ima neispunjenu orbitalu:

Razmotrimo elektrolitičku disocijaciju kiselina:

Lako se može pretpostaviti da će čestica koja ima usamljeni par elektrona R: -, tj. negativno nabijeni ion, biti privučena pozitivno nabijenim atomima ili atomima na kojima postoji barem djelomični ili efektivni pozitivni naboj.
Zovu se čestice sa usamljenim parovima elektrona nukleofilnih agenasa (jezgro- "jezgro", pozitivno nabijeni dio atoma), odnosno "prijatelji" jezgra, pozitivno naelektrisanje.

Nukleofili(Nu) - anjoni ili molekuli koji imaju usamljeni par elektrona koji stupaju u interakciju s dijelovima molekula koji imaju efektivno pozitivno naelektrisanje.

Primjeri nukleofila: Cl - (hloridni jon), OH - (hidroksid anjon), CH 3 O - (metoksid anjon), CH 3 COO - (acetatni anjon).

Čestice koje imaju neispunjenu orbitalu, naprotiv, težit će da je popune i stoga će biti privučene dijelovima molekula koji imaju povećanu gustoću elektrona, negativan naboj i usamljeni elektronski par. Oni su elektrofili, "prijatelji" elektrona, negativnog naboja ili čestice sa povećanom gustinom elektrona.

Elektrofili- kationi ili molekuli koji imaju neispunjenu elektronsku orbitalu, težeći da je popune elektronima, jer to dovodi do povoljnije elektronske konfiguracije atoma.

Nijedna čestica nije elektrofil s neispunjenom orbitalom. Na primjer, katjoni alkalnih metala imaju konfiguraciju inertnih plinova i nemaju tendenciju da stječu elektrone, jer imaju nisku afinitet prema elektronu.
Iz ovoga možemo zaključiti da unatoč prisutnosti neispunjene orbitale, takve čestice neće biti elektrofili.

Osnovni mehanizmi reakcije

Identificirane su tri glavne vrste reagujućih čestica - slobodni radikali, elektrofili, nukleofili - i tri odgovarajuća tipa reakcionih mehanizama:

• slobodni radikali;
• elektrofilni;
• zeroofilan.

Osim klasifikacije reakcija prema vrsti reagujućih čestica, u organskoj hemiji razlikuju se četiri tipa reakcija prema principu promjene sastava molekula: dodavanje, supstitucija, odvajanje ili eliminacija (od engl. to eliminisati- ukloniti, odvojiti) i preurediti. Budući da se adicija i supstitucija mogu dogoditi pod utjecajem sve tri vrste reaktivnih vrsta, može se razlikovati nekoliko mainmehanizama reakcija.

Osim toga, razmotrit ćemo reakcije eliminacije koje se javljaju pod utjecajem nukleofilnih čestica - baza.
6. eliminacija:

Posebnost alkena (nezasićenih ugljikovodika) je njihova sposobnost da se podvrgnu reakcijama adicije. Većina ovih reakcija odvija se mehanizmom elektrofilne adicije.

Hidrohalogenacija (dodatak halogena vodonik):

Kada se alkenu doda halogen vodonik vodonik dodaje hidrogenizovanom atom ugljika, odnosno atom kod kojeg ima više atoma vodonik, a halogen - na manje hidrogenizovan.

Klasifikacija reakcija prema broju polaznih i konačnih supstanci: 1. Dodatak 2. Eliminacija (eliminacija) 3. Zamjena

Klasifikacija reakcija prema mehanizmu prekida veze: 1. Homolitički (radikalni) radikali 2. Heterolitički (jonski) joni

Mehanizam reakcije Mehanizam je detaljan opis hemijske reakcije u fazama, navodeći međuproizvode i čestice. Shema reakcije: Mehanizam reakcije:

Klasifikacija reakcija prema vrsti reagensa 1. Radikal Radikal je hemijski aktivna čestica sa nesparenim elektronom. 2. Elektrofilni elektrofil je čestica ili molekul s nedostatkom elektrona sa atomom s nedostatkom elektrona. 3. Nukleofilni nukleofil je anjonski ili neutralni molekul koji ima atom sa usamljenim elektronskim parom.

Vrste hemijskih veza u organskim supstancama Glavni tip veze je kovalentna (rjeđe jonska) Sigma veza (σ-): Pi veza (-)

ALKANI - alifatski (masni) ugljovodonici "Alifatos" - ulje, mast (grč.). Cn. H 2 n+2 Zasićeni ugljovodonici

Homologne serije: CH 4 - metan C 2 H 6 - etan C 3 H 8 - propan C 4 H 10 - butan C 5 H 12 - pentan itd. C 6 H 14 - heksan C 7 H 16 - heptan C 8 H 18 - oktan C 9 H 20 - nonan C 10 H 22 - dekan i C 390 H 782 - nonokontatriktan (1985.)

Atomsko-orbitalni model molekule metana U molekuli metana, atom ugljika više nema S- i P-orbitale! Njegove 4 hibridne SP 3 orbitale, jednake energije i oblika, formiraju 4 veze sa S orbitalama atoma vodika. H H 4 veze

Reakcija nitracije Konovalov Dmitrij Petrovič (1856 -1928) 1880. Prvi uspješan pokušaj oživljavanja "hemijskih mrtvih", koji su smatrani alkanima. Našao sam uslove za nitriranje alkana. Rice. Izvor: http: //images. yandex. ru.

Hemijska svojstva I. Reakcije s kidanjem C-H veza (reakcije supstitucije): 1. halogeniranje 2. nitriranje 3. sulfohloriranje II. Reakcije sa kidanjem C-C veza: 1. sagorevanje 2. pucanje 3. izomerizacija

Kako pronaći hemičara? Ako želite da nađete hemičara, pitajte šta su moljac i nejonizovani. A ako počne pričati o životinjama koje nose krzno i ​​organizaciji rada, mirno idite. Pisac naučne fantastike, popularizator nauke Isak Asimov (1920–1992) Fig. Izvor: http: //images. yandex. ru.

1. Reakcija halogeniranja Kloriranje: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromiranje: RH + Br 2 hv RBr + HBr Na primjer, kloriranje metana: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Faze mehanizma slobodnih radikala Šema reakcije: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Mehanizam reakcije: I. Inicijacija lanca - faza stvaranja slobodnih radikala. Cl Cl 2 Cl radikal je aktivna čestica, pokretač reakcije. – – Bina zahteva energiju u vidu grejanja ili osvetljenja. Naredne faze se mogu odvijati u mraku, bez grijanja.

Faze mehanizma slobodnih radikala II. Lančani rast je glavna faza. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Faza može uključivati ​​nekoliko podfaza, u svakoj od kojih se formira novi radikal, ali ne i H!!! U fazi II, glavnoj fazi, glavni proizvod se nužno formira!

Faze mehanizma slobodnih radikala III. Završetak lanca – rekombinacija radikala. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Bilo koja dva radikala se kombinuju.

Selektivnost supstitucije Selektivnost – selektivnost. Regioselektivnost je selektivnost u određenom području reakcija. Na primjer, selektivnost halogeniranja: 45% 3% Zaključak? 55% 97%

Selektivnost halogeniranja zavisi od sljedećih faktora: Uslovi reakcije. Na niskim temperaturama je selektivniji. Priroda halogena. Što je halogen aktivniji, to je reakcija manje selektivna. F 2 reaguje veoma energično, uništavanjem C-C veza. I 2 ne reaguje sa alkanima pod ovim uslovima. Struktura alkana.

Utjecaj strukture alkana na selektivnost supstitucije. Ako su atomi ugljika u alkanu nejednaki, tada se zamjena za svaki od njih događa različitom brzinom. Relativno brzina supstitucijske reakcije Primarni. H atom Sekundarni atom H Tert. Hloriranje atoma 1 3, 9 5, 1 bromiranje 1 82 1600 Zaključak?

Za uklanjanje tercijalnog atoma vodika potrebno je manje energije nego za uklanjanje sekundarnog i primarnog! Alkanska formula Rezultat homolize ED, 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 (CH 3)3 C + H 377

Smjer reakcija Svaka reakcija se odvija pretežno u smjeru stvaranja stabilnije međučestice!

Međučestica u radikalnim reakcijama je slobodni radikal. Najstabilniji radikal se najlakše formira! Serija stabilnosti radikala: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 Alkilne grupe ispoljavaju efekat doniranja elektrona, zbog čega stabilizuju radikal

Reakcija sulfohloracije Šema reakcije: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Mehanizam reakcije: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl, itd. itd. 3. 2 Cl Cl 2 itd.

Konovalova reakcija D.P. Nitracija po Konovalovu se odvija djelovanjem razrijeđene dušične kiseline na temperaturi od 140 o. C. Shema reakcije: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O

Konovalov mehanizam reakcije 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, itd. 3 .Otvori kolo.

Alkeni su nezasićeni ugljovodonici sa jednom vezom C=C, Cn. H 2 n S=S – funkcionalna grupa alkena

Hemijska svojstva alkena Opšte karakteristike Alkeni su reaktivna klasa jedinjenja. Oni prolaze kroz brojne reakcije, od kojih se većina događa prekidom slabije pi veze. E C-C (σ-) ~ 350 KJ/mol E C=C (-) ~ 260 KJ/mol

Karakteristične reakcije Adicija je najkarakterističnija vrsta reakcije. Dvostruka veza je donor elektrona, pa ima tendenciju da dodaje: E - elektrofile, katjone ili radikale

Primjeri reakcija elektrofilne adicije 1. Dodavanje halogena – Ne dodaju se svi halogeni, već samo hlor i brom! – Polarizacija neutralnog molekula halogena može nastati pod dejstvom polarnog rastvarača ili pod dejstvom dvostruke veze alkena. Crveno-smeđi rastvor broma postaje bezbojan

Reakcije elektrofilnog dodavanja se javljaju na sobnoj temperaturi i ne zahtijevaju osvjetljenje. Mehanizam je jonski. Shema reakcije: XY = Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Sigma kompleks je karbokation - čestica s pozitivnim nabojem na atomu ugljika. Ako su u reakcionom mediju prisutni i drugi anioni, oni se također mogu pridružiti karbokationu.

Na primjer, dodavanje broma otopljenog u vodi. Ova kvalitativna reakcija na dvostruku C=C vezu nastavlja se s promjenom boje otopine broma i stvaranjem dva proizvoda:

Dodatak nesimetričnim alkenima Regioselektivnost adicije! Markovnikovo pravilo (1869): kiseline i voda se dodaju nesimetričnim alkenima na način da se vodonik dodaje hidrogenizovanijem atomu ugljenika.

Markovnikov Vladimir Vasiljevič (1837 - 1904) Diplomirao na Kazanskom univerzitetu. Od 1869. - profesor na odsjeku za hemiju. Osnivač naučne škole. Rice. Izvor: http: //images. yandex. ru.

Objašnjenje Markovnikovovog pravila Reakcija se odvija kroz formiranje najstabilnije međučestice - karbokationa. primarni sekundarni, stabilniji

Niz stabilnosti karbokatjona: tercijarni sekundarni primarni metil Markovnikovo pravilo u modernoj formulaciji: dodavanje protona alkenu se dešava sa formiranjem stabilnijeg karbokationa.

Anti-Markovnikov adicija CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formalno, reakcija je protiv Markovnikovog pravila. CF 3 – supstituent za povlačenje elektrona Ostala sredstva za povlačenje elektrona: NO 2, SO 3 H, COOH, halogeni itd.

Anti-Markovnikov dodatak stabilniji nestabilniji CF 3 – akceptor elektrona, destabilizuje karbokation.Reakcija samo formalno ide protiv Markovnikovog pravila. U stvari, on ga poštuje, jer prolazi kroz stabilniji karbokat.

Kharash peroksidni efekat X CH 3 -CH=CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X = O 2, H 2 O 2, ROOR Mehanizam slobodnih radikala: 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 stabilniji radikal CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br, itd. 3. Bilo koja dva radikala se kombinuju između vas .

Elektrofilna adicija 3. Hidratacija - dodavanje vode - Reakcija se odvija u prisustvu kiselih katalizatora, najčešće sumporne kiseline. – Reakcija se pokorava Markovnikovom pravilu. Jeftin način za dobijanje alkohola

Tokom ispita akademik Ivan Aleksejevič Kablukov traži od studenta da kaže kako se vodonik proizvodi u laboratoriji. „Od žive“, odgovara on. „Kako to misliš „napravljen od žive“? ! Obično kažu “od cinka”, ali od žive je nešto originalno. Napišite reakciju." Učenik piše: Hg = H + g I kaže: „Živa se zagreva; raspada se na H i g. H je vodonik, lagan je i stoga odleti, ali g je ubrzanje gravitacije, teško, ostaje.” „Za takav odgovor treba dati peticu“, kaže Kablukov. - Hajde da uzmemo knjigu rekorda. Samo ću prvo zagrijati i "peticu". “Tri” odleti, ali “dva” ostaje.”

Dva hemičara u laboratoriji: - Vasja, stavi ruku u ovu čašu. - Ispustio sam ga. - Osećaš li nešto? - Ne. - Dakle, u drugoj čaši ima sumporne kiseline.

Aromatični ugljovodonici Aromatični – mirisni? ? Aromatična jedinjenja su benzen i supstance koje po hemijskom ponašanju podsećaju na njega!

CH 3 -CH 3 + Cl 2 – (hv) ---- CH 3 -CH 2 Cl + HCl

C 6 H 5 CH 3 + Cl 2 --- 500 C --- C 6 H 5 CH 2 Cl + HCl

Reakcije sabiranja

Takve reakcije su tipične za organska jedinjenja koja sadrže višestruke (dvostruke ili trostruke) veze. Reakcije ovog tipa uključuju reakcije dodavanja halogena, vodikovih halogenida i vode u alkene i alkine

CH 3 -CH=CH 2 + HCl ---- CH 3 -CH(Cl)-CH 3

Reakcije eliminacije

To su reakcije koje dovode do stvaranja višestrukih veza. Prilikom eliminacije halogenovodonika i vode uočava se određena selektivnost reakcije, opisana Zaitsevovim pravilom, prema kojem se atom vodika eliminira iz atoma ugljika kod kojeg ima manje atoma vodika. Primjer reakcije

CH3-CH(Cl)-CH 2 -CH 3 + KOH →CH 3 -CH=CH-CH 3 + HCl

Polimerizacija i polikondenzacija

n(CH 2 =CHCl)  (-CH 2 -CHCl)n

Redox

Najintenzivnija od oksidativnih reakcija je sagorevanje, reakcija karakteristična za sve klase organskih jedinjenja. U tom slučaju, u zavisnosti od uslova sagorevanja, ugljenik se oksidira u C (čađ), CO ili CO 2, a vodonik se pretvara u vodu. Međutim, za organske hemičare, reakcije oksidacije koje se izvode u mnogo blažim uslovima od sagorevanja su od velikog interesa. Korišćeni oksidanti: rastvori Br2 u vodi ili Cl2 u CCl 4 ; KMnO 4 u vodi ili razblaženoj kiselini; bakreni oksid; svježe istaloženi srebro(I) ili bakar(II) hidroksidi.

3C 2 H 2 + 8KMnO 4 +4H 2 O→3HOOC-COOH + 8MnO 2 + 8KOH

Esterifikacija (i njena reverzna reakcija hidrolize)

R 1 COOH + HOR 2 H+  R 1 COOR 2 + H 2 O

Cycloaddition

Y R Y-R

‖ + ‖ → ǀ ǀ

R Y R-Y

‖ + →

11. Klasifikacija organskih reakcija po mehanizmu. Primjeri.

Mehanizam reakcije uključuje detaljan, korak po korak, opis hemijskih reakcija. Istovremeno se utvrđuje koje su kovalentne veze prekinute, kojim redosledom i na koji način. Takođe je pažljivo opisano stvaranje novih veza tokom procesa reakcije. Prilikom razmatranja mehanizma reakcije, prije svega, obratite pažnju na metodu razbijanja kovalentne veze u reakcionom molekulu. Postoje dva takva načina - homolitičke i heterolitičke.

Radikalne reakcije nastaviti homolitičkim (radikalnim) cijepanjem kovalentne veze:

Nepolarne ili niskopolarne kovalentne veze (C–C, N–N, C–H) podležu radikalnom cepanju na visokim temperaturama ili pod uticajem svetlosti. Ugljik u CH 3 radikalu ima 7 vanjskih elektrona (umjesto stabilne oktetne ljuske u CH 4). Radikali su nestabilni; imaju tendenciju da zarobe elektron koji nedostaje (do par ili do okteta). Jedan od načina stvaranja stabilnih proizvoda je dimerizacija (kombinacija dva radikala):

CH 3 + CH 3 CH 3 : CH 3,

N + N N : N.

Radikalne reakcije - to su, na primjer, reakcije hloriranja, bromiranja i nitriranja alkana:

Jonske reakcije nastaju sa heterolitičkim cijepanjem veze. U ovom slučaju, kratkotrajni organski ioni - karbokationi i karbanioni - s nabojem na atomu ugljika nastaju srednje. U ionskim reakcijama, vezni elektronski par se ne razdvaja, već u potpunosti prelazi na jedan od atoma, pretvarajući ga u anion:

Jako polarne (H–O, C–O) i lako polarizabilne (C–Br, C–I) veze sklone su heterolitičkom cijepanju.

Razlikovati nukleofilne reakcije (nukleofil– traženje jezgra, mesta sa nedostatkom elektrona) i elektrofilne reakcije (elektrofil– traženje elektrona). Izjava da je određena reakcija nukleofilna ili elektrofilna uvijek se odnosi na reagens. Reagens– supstanca koja učestvuje u reakciji sa jednostavnijom strukturom. Supstrat– početna supstanca složenije strukture. Odlazna grupa je zamjenjivi ion koji je vezan za ugljik. Proizvod reakcije– nova tvar koja sadrži ugljik (napisana na desnoj strani jednačine reakcije).

TO nukleofilni reagensi(nukleofili) uključuju negativno nabijene ione, spojeve sa usamljenim parovima elektrona, spojeve sa dvostrukim vezama ugljik-ugljik. TO elektrofilni reagensi(elektrofili) uključuju pozitivno nabijene jone, spojeve sa nepopunjenim elektronskim omotačem (AlCl 3, BF 3, FeCl 3), spojeve sa karbonilnim grupama, halogene. Elektrofili su svaki atom, molekula ili ion koji može dodati par elektrona u procesu formiranja nove veze. Pokretačka sila ionskih reakcija je interakcija suprotno nabijenih jona ili fragmenata različitih molekula s djelomičnim nabojem (+ i –).

Vrste hemijskih reakcija u neorganskoj i organskoj hemiji.

1. Hemijska reakcija je proces u kojem se iz jedne tvari formiraju druge tvari. U zavisnosti od prirode procesa, razlikuju se vrste hemijskih reakcija.

1)Prema konačnom rezultatu

2) Na osnovu oslobađanja ili apsorpcije toplote

3) Na osnovu reverzibilnosti reakcije

4) Zasnovano na promjenama u oksidacijskom stanju atoma koji čine reagirajuće tvari

Prema konačnom rezultatu, reakcije su sljedeće vrste:

A) Zamjena: RH+Cl 2 →RCl+HCl

B) Pristupanje: CH 2 =CH 2 +Cl 2 →CH 2 Cl-CH 2 Cl

B) Eliminacija: CH 3 -CH 2 OH → CH 2 =CH 2 +H 2 O

D) Raspadanje: CH 4 →C+2H 2

D) Izomerizacija

E) Razmjena

G) Veze

Reakcija raspadanja je proces u kojem se iz jedne supstance formiraju dvije ili više drugih.

Reakcija razmene je proces u kojem reagirajuće supstance izmjenjuju svoje sastavne dijelove.

Reakcije supstitucije nastaju uz sudjelovanje jednostavnih i složenih tvari, uslijed čega nastaju nove jednostavne i složene tvari.

Kao rezultat složene reakcije od dvije ili više tvari nastaje jedna nova.

Na osnovu oslobađanja ili apsorpcije topline, reakcije su sljedeće vrste:

A) Egzotermna

B) Endotermni

Egzotermno - To su reakcije koje nastaju oslobađanjem topline.

Endotermna- To su reakcije koje nastaju apsorpcijom toplote iz okoline.

Na osnovu reverzibilnosti, reakcije su sljedeće vrste:

A) Reverzibilno

B) Nepovratan

Reakcije koje se odvijaju samo u jednom smjeru i završavaju potpunim pretvaranjem početnih reaktanata u konačne tvari nazivaju se nepovratan.

Reverzibilno Reakcije koje se istovremeno odvijaju u dva međusobno suprotna smjera nazivaju se.

Na osnovu promjena u oksidacijskom stanju atoma koji čine reagirajuće tvari, reakcije su sljedeće vrste:

A) Redox

Reakcije koje se javljaju s promjenom oksidacijskog stanja atoma (u kojima se elektroni prenose s jednog atoma, molekula ili jona na drugi) nazivaju se redoks.

2. Prema mehanizmu reakcije, reakcije se dijele na ionske i radikalne.

Jonske reakcije– interakcija između jona kao rezultat heterolitičkog kidanja hemijske veze (par elektrona u potpunosti ide u jedan od „fragmenata“).

Jonske reakcije su dvije vrste (u zavisnosti od vrste reagensa):

A) elektrofilni - tokom reakcije sa elektrofilom.

Electrophile– grupa koja ima slobodne orbitale ili centre sa smanjenom gustinom elektrona u nekim atomima (na primjer: H +, Cl - ili AlCl 3)

B) Nukleofilni - tokom interakcije sa nukleofilom

nukleofil - negativno nabijeni ion ili molekul s usamljenim elektronskim parom (trenutno nije uključen u formiranje kemijske veze).

(Primjeri: F - , Cl - , RO - , I -).

Pravi hemijski procesi se retko mogu opisati jednostavnim mehanizmima. Detaljno ispitivanje hemijskih procesa sa molekularno-kinetičke tačke gledišta pokazuje da se većina njih odvija po lančanom radikalnom mehanizmu; posebnost lančanih reakcija je stvaranje slobodnih radikala u srednjim fazama (nestabilni fragmenti molekula ili atoma sa kratkim životnim vekom). , svi imaju besplatnu komunikaciju.

Procesi sagorevanja, eksplozije, oksidacije, fotohemijske reakcije i biohemijske reakcije u živim organizmima odvijaju se lančanim mehanizmom.

Lančani sistemi imaju nekoliko faza:

1) lančana nukleacija - faza lančanih reakcija, kao rezultat kojih slobodni radikali nastaju iz molekula zasićenih valentnošću.

2) nastavak lanca - faza lanca kola, koja se nastavlja uz održavanje ukupnog broja slobodnih faza.

3) prekid lanca - elementarna faza lanca procesa koji dovode do nestanka slobodnih veza.

Postoje razgranate i nerazgranate lančane reakcije.

Jedan od najvažnijih koncepata lanca je dužina lanca- prosječan broj elementarnih faza nastavka lanca nakon pojave slobodnog radikala do njegovog nestanka.

Primjer: Sinteza vodonik hlorida

1) CL 2 apsorbuje kvantum energije i sliku radikala 2: CL 2 +hv=CL * +CL *

2) aktivna čestica se kombinuje sa m-molekulom H 2 da bi formirala hlorovodonik i aktivnu česticu H 2: CL 1 + H 2 = HCL + H *

3)CL 1 +H 2 =HCL+CL * itd.

6)H * +CL * =HCL - otvoreni krug.

Razgranati mehanizam:

F * +H 2 =HF+H * itd.

F * +H 2 =HF+H * itd.

U vodi je složenije - nastaju OH*, O* radikali i H* radikal.

Reakcije koje se javljaju pod uticajem jonizujućeg zračenja: rendgenske zrake, katodne zrake i tako dalje - nazivaju se radiohemijskim.

Kao rezultat interakcije molekula sa zračenjem, uočava se dezintegracija molekula sa stvaranjem najreaktivnijih čestica.

Takve reakcije pospješuju rekombinaciju čestica i stvaranje tvari s različitim njihovim kombinacijama.

Primjer je hidrazin N 2 H 4 - komponenta raketnog goriva. Nedavno su učinjeni pokušaji da se dobije hidrazin iz amonijaka kao rezultat izlaganja γ-zracima:

NH 3 → NH 2 * + H*

2NH 2 *→ N 2 H 4

Radiohemijske reakcije, na primjer radioliza vode, važne su za život organizama.

književnost:

1. Ahmetov, N.S. Opća i neorganska hemija / N.S. Ahmetov. – 3. izd. – M.: Viša škola, 2000. – 743 str.

1. Korovin N.V. Opća hemija / N.V. Korovin. – M.: Viša škola, 2006. – 557 str.
2. Kuzmenko N.E. Kratki kurs hemije / N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. – M.: Viša škola, 2002. – 415 str.
3. Zaitsev, O.S. Opća hemija. Struktura supstanci i hemijske reakcije / O.S. Zaitsev. – M.: Hemija, 1990.
4. Karapetyants, M.Kh. Struktura materije / M.Kh. Karapetjanc, S.I. Drakin. – M.: Viša škola, 1981.
5. Cotton F. Osnove neorganske hemije / F. Cotton, J. Wilkinson. – M.: Mir, 1981.
6. Ugay, Ya.A. Opća i neorganska hemija / Ya.A.Ugai. – M.: Viša škola, 1997.

Aneks 1
REAKCIONI MEHANIZMI U ORGANSKOJ HEMIJI
N.V. Sviridenkova, NUST MISIS, Moskva
ZAŠTO PROUČAVATI MEHANIZME HEMIJSKIH REAKCIJA?
Koji je mehanizam hemijske reakcije? Da biste odgovorili na ovo pitanje, razmotrite jednadžbu za reakciju sagorevanja butena:

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

Ako bi se reakcija zaista odvijala kako je opisano u jednadžbi, tada bi se jedan molekul butena morao sudariti sa šest molekula kisika odjednom. Međutim, malo je vjerovatno da će se to dogoditi: poznato je da je istovremeni sudar više od tri čestice gotovo nemoguć. Zaključak se nameće sam po sebi da se ova reakcija, kao i velika većina hemijskih reakcija, odvija u nekoliko uzastopnih faza. Jednačina reakcije pokazuje samo početne materijale i konačni rezultat svih transformacija, a ni na koji način ne objašnjava kako proizvodi se formiraju od početnih supstanci. Da bi se tačno saznalo kako se reakcija odvija, koje faze uključuje, koji međuprodukti nastaju, potrebno je razmotriti mehanizam reakcije.

dakle, mehanizam reakcije je detaljan opis toka reakcije u fazama, koji pokazuje kojim redoslijedom i kako se prekidaju kemijske veze u reagujućim molekulima i stvaraju nove veze i molekuli.

Razmatranje mehanizma omogućava objašnjenje zašto su neke reakcije praćene stvaranjem više proizvoda, dok u drugim reakcijama nastaje samo jedna tvar. Poznavanje mehanizma omogućava hemičarima da predvide proizvode hemijskih reakcija pre nego što se one stvarno izvode. Konačno, poznavajući mehanizam reakcije, možete kontrolisati tok reakcije: stvoriti uslove za povećanje njene brzine i povećanje prinosa željenog proizvoda.
OSNOVNI POJMOVI: ELEKTROFIL, NUKLEOFIL, UGLJENICI
U organskoj hemiji reagensi se tradicionalno dijele na tri tipa: nukleofilna, elektrofilni I radikalan. Već ste se ranije susreli s radikalima kada ste proučavali reakcije halogeniranja alkana. Pogledajmo bliže druge vrste reagensa.

Nukleofilni reagensi ili jednostavno nukleofili(u prevodu sa grčkog kao „ljubitelji jezgra”) su čestice sa viškom elektronske gustine, najčešće negativno nabijene ili imaju usamljeni elektronski par. Nukleofili napadaju molekule s niskom gustinom elektrona ili pozitivno nabijene reagense. Primjeri nukleofila su OH - , Br - joni, NH 3 molekuli.

Elektrofilni reagensi ili elektrofili(u prevodu sa grčkog kao "ljubitelji elektrona") su čestice sa nedostatkom elektronske gustine. Elektrofili često nose pozitivan naboj. Elektrofili napadaju molekule visoke elektronske gustoće ili negativno nabijene reagense. Primjeri elektrofila su H +, NO 2 +.

Atom polarne molekule koji nosi djelomično pozitivan naboj može djelovati i kao elektrofil. Primjer je atom vodika u molekuli HBr, na kojem nastaje djelomični pozitivni naboj zbog pomicanja para zajedničke elektronske veze na atom broma, koji ima veću vrijednost elektronegativnosti H δ + → Br δ - .

Reakcije koje se odvijaju putem jonskog mehanizma često su praćene stvaranjem karbokatjona. Carbocation naziva se naelektrisana čestica koja ima slobodnu R-orbitala na atomu ugljika. Jedan od atoma ugljika u karbokationu nosi pozitivan naboj. Primjeri karbokationa uključuju čestice CH 3 -CH 2 +, CH 3 -CH + -CH 3. Karbokationi nastaju u jednoj od faza u reakcijama dodavanja halogena u alkene i halogenovodonika u alkene, kao iu reakcijama supstitucije koje uključuju aromatične ugljovodonike.
MEHANIZAM DODAVANJA NEZASIĆENIM UGLJIKOVODONIMA

Dodavanje halogena, halogenovodonika i vode nezasićenim ugljovodonicima (alkeni, alkini, dienski ugljovodonici) odvija se kroz jonski mehanizam, zvao elektrofilni dodatak.

Razmotrimo ovaj mehanizam na primjeru reakcije dodavanja bromovodika na molekul etilena.

Unatoč činjenici da je reakcija hidrobromiranja opisana vrlo jednostavnom jednadžbom, njen mehanizam uključuje nekoliko faza.

Faza 1. U prvoj fazi formira se molekul halogen vodika π -elektronski oblak nestabilnog sistema dvostruke veze – “ π -kompleks” zbog djelomičnog prijenosa π -elektronska gustina po atomu vodika koji nosi djelomično pozitivan naboj.

Faza 2. Veza vodonik-halogen se prekida da bi se formirala elektrofilna H + čestica i nukleofilna Br - čestica. Oslobođeni elektrofil H+ dodaje se alkenu zbog elektronskog para dvostruke veze, formirajući σ -kompleks – karbokation.

Faza 3. U ovoj fazi, negativno nabijeni nukleofil se dodaje pozitivno nabijenom karbokationu kako bi se formirao konačni produkt reakcije.

ZAŠTO SLEDI MARKOVNIKOVOVO PRAVILO?
Predloženi mehanizam dobro objašnjava nastanak pretežno jednog od proizvoda u slučaju dodavanja halogenovodonika nesimetričnim alkenima. Podsjetimo da se dodavanjem halogenovodonika pridržava Markovnikovovo pravilo, prema kojem se vodik dodaje na dvostruku vezu najhidrogeniranom atomu ugljika (tj. povezan je s najvećim brojem atoma vodika), a halogen najmanje hidrogeniranom. Na primjer, kada se bromovodonik doda propenu, pretežno nastaje 2-bromopropan:

U reakcijama elektrofilne adicije na nesimetrične alkene, u drugoj fazi reakcije mogu nastati dva karbokationa. Zatim reagira s nukleofilom, što znači da će stabilniji od njih odrediti produkt reakcije.

Razmotrimo koji karbokationi nastaju u slučaju propena i uporedimo njihovu stabilnost. Dodatak H+ protona na mjestu dvostruke veze može dovesti do stvaranja dva karbokationa, sekundarnog i primarnog:

Rezultirajuće čestice su vrlo nestabilne jer pozitivno nabijeni atom ugljika u karbokatationu ima nestabilnu elektronsku konfiguraciju. Takve čestice se stabiliziraju raspodjelom (delokalizacijom) naboja na što više atoma. Donator elektrona alkil grupe, dajući elektronsku gustinu atomu ugljenika sa nedostatkom elektrona, promovišu i stabilizuju karbokacije. Pogledajmo kako se to događa.

Zbog razlike u elektronegativnosti atoma ugljika i vodika, na atomu ugljika grupe -CH 3 javlja se određeni višak elektronske gustine, a na atomu vodika C δ- H 3 δ+. Prisustvo takve grupe pored atoma ugljika koji nosi pozitivan naboj neizbježno uzrokuje pomak elektronske gustine prema pozitivnom naboju. Dakle, metilna grupa djeluje kao donor, odajući dio svoje elektronske gustine. Za takvu grupu se kaže da postoji pozitivan induktivni efekat (+ I -efekat). Što više takvih donor elektrona (+ I ) - supstituenti su okruženi ugljikom koji nosi pozitivan naboj, što je odgovarajući karbokatation stabilniji. Dakle, stabilnost karbokationa raste u nizu:

U slučaju propena, najstabilniji je sekundarni karbokation, jer je u njemu pozitivno nabijeni atom ugljika karbokationa stabiliziran za dva + I - efekti susjednih metil grupa. On se pretežno formira i dalje reaguje. Nestabilni primarni karbokation očigledno postoji vrlo kratko, tako da tokom svog "života" nema vremena da se veže za nukleofil i formira produkt reakcije.

Kada se bromidni ion doda sekundarnom karbokationu u posljednjoj fazi, nastaje 2-bromopropan:

DA LI SE UVIJEK PRAVI MARKOVNIKOVA?

Razmatranje mehanizma reakcije hidrobromiranja propilena omogućuje nam da formuliramo opće pravilo za elektrofilno dodavanje: “kada nesimetrični alkeni stupe u interakciju s elektrofilnim reagensima, reakcija se odvija kroz stvaranje najstabilnijeg karbokationa.” Isto pravilo omogućava objašnjenje nastanka u nekim slučajevima adicionih proizvoda suprotno Markovnikovom pravilu. Dakle, dodavanje halogenovodonika u trifluoropropilen formalno ide protiv Markovnikovovog pravila:

Kako se takav proizvod može dobiti, budući da je nastao kao rezultat dodavanja Br primarnom, a ne sekundarnom karbokationu? Kontradikcija se lako rješava razmatranjem mehanizma reakcije i poređenjem stabilnosti formiranih međučestica:

-CF 3 grupa sadrži tri atoma fluora koji povlače elektrone, koji vuku gustinu elektrona iz atoma ugljika. Stoga se na atomu ugljika pojavljuje značajan nedostatak elektronske gustine. Da bi kompenzirao rezultirajući djelomični pozitivni naboj, atom ugljika apsorbira elektronsku gustoću susjednih atoma ugljika. Dakle, -CF 3 grupa je povlačenje elektrona i emisije negativan induktivni efekat (- I ) . U ovom slučaju, primarni karbokation se pokazuje stabilnijim, jer je destabilizirajući učinak -CF 3 grupe kroz dvije σ veze oslabljen. A sekundarni karbokation, destabiliziran susjednom grupom za povlačenje elektrona CF 3, praktički se ne formira.

Prisustvo grupa koje povlače elektrone –NO2, -COOH, -COH, itd. na dvostrukoj vezi ima sličan efekat na adiciju. U ovom slučaju, proizvod sabiranja se takođe formalno formira protiv Markovnikovog pravila. Na primjer, kada se klorovodik doda propenskoj (akrilnoj) kiselini, pretežno nastaje 3-kloropropanoična kiselina:

Stoga se smjer dodavanja nezasićenih ugljovodonika može lako odrediti analizom strukture ugljikovodika. Ovo se ukratko može odraziti na sljedećem dijagramu:

Treba napomenuti da je Markovnikovo pravilo zadovoljeno samo ako se reakcija odvija po jonskom mehanizmu. Prilikom izvođenja radikalnih reakcija, Markovnikova vladavina nije zadovoljena. Dakle, dodavanje bromovodonika HBr u prisustvu peroksida (H 2 O 2 ili organskih peroksida) ide protiv Markovnikovovog pravila:

Dodavanje peroksida mijenja mehanizam reakcije, postaje radikalan. Ovaj primjer pokazuje koliko je važno poznavati mehanizam reakcije i uslove pod kojima se ona dešava. Zatim, odabirom odgovarajućih uslova za reakciju, možete je usmjeriti prema mehanizmu koji je potreban u konkretnom slučaju i dobiti upravo one proizvode koji su potrebni.
MEHANIZAM ZAMJENE ATOMA VODIKA U AROMATIČNIM UGLJOVODONICIMA
Prisustvo stabilnog konjugata u molekuli benzena π -elektronski sistem čini reakcije adicije gotovo nemogućim. Za benzen i njegove derivate najtipičnije su reakcije supstitucije atoma vodika, koje se odvijaju uz održavanje aromatičnosti. U ovom slučaju, benzenski prsten koji sadrži π- elektroni stupaju u interakciju s elektrofilnim česticama. Takve reakcije se nazivaju reakcije elektrofilne supstitucije u aromatičnom nizu. To uključuje, na primjer, halogeniranje, nitriranje i alkilaciju benzena i njegovih derivata.

Sve reakcije elektrofilne supstitucije u aromatičnim ugljovodonicima idu istim putem jonski mehanizam bez obzira na prirodu reagensa. Mehanizam reakcija supstitucije uključuje nekoliko faza: formiranje elektrofilnog agensa E+, formiranje π -kompleksno, onda σ- kompleks i konačno raspad σ- kompleks za formiranje supstitucijskog proizvoda.

Elektrofilna E+ čestica nastaje kada reagens stupi u interakciju sa katalizatorom, na primjer, kada je molekul halogena izložen aluminij hloridu. Rezultirajuća E+ čestica stupa u interakciju s aromatičnim prstenom, prvo se formira π -, i onda σ- kompleks:

Tokom edukacije σ- kompleksa, elektrofilna čestica E+ vezuje se za jedan od atoma ugljika benzenskog prstena preko σ- komunikacije. U rezultirajućem karbokationu, pozitivni naboj je ravnomjerno raspoređen (delokaliziran) između preostalih pet atoma ugljika.

Reakcija se završava uklanjanjem protona iz σ- kompleks. U ovom slučaju dva elektrona σ -CH veze se vraćaju u ciklus, i stabilna šestelektronska aromatična π - sistem je regenerisan.

U molekulu benzena svih šest atoma ugljika je jednako. Zamjena atoma vodika može se dogoditi s jednakom vjerovatnoćom za bilo koji od njih. Kako će doći do supstitucije u slučaju homologa benzena? Uzmimo metilbenzen (toluen) kao primjer.

Iz eksperimentalnih podataka je poznato da se elektrofilna supstitucija u slučaju toluena uvijek javlja sa stvaranjem dva produkta. Tako se formiranjem javlja nitriranje toluena P-nitrotoluen i O-nitrotoluen:

Druge reakcije elektrofilne supstitucije (bromiranje, alkilacija) se odvijaju slično. Utvrđeno je i da se u slučaju toluena reakcije supstitucije odvijaju brže i pod blažim uslovima nego u slučaju benzena.

Vrlo je jednostavno objasniti ove činjenice. Metilna grupa donira elektrone i, kao rezultat, dodatno povećava gustinu elektrona benzenskog prstena. Posebno snažno povećanje elektronske gustine se javlja u O- I P- pozicije u odnosu na -CH 3 grupu, što olakšava pričvršćivanje pozitivno nabijene elektrofilne čestice na ova mjesta. Stoga se brzina supstitucijske reakcije općenito povećava, a supstituent je usmjeren pretežno na ortho- I par- odredbe.