Kun vuotaa kemialliset reaktiot jotkut yhteydet katkeavat ja muita yhteyksiä syntyy. Kemialliset reaktiot jaetaan tavanomaisesti orgaanisiin ja epäorgaanisiin. Orgaanisiksi reaktioiksi katsotaan reaktioita, joissa vähintään yksi reagoivista aineista on orgaaninen yhdiste, joka muuttaa molekyylirakennettaan reaktion aikana. Ero orgaaniset reaktiot epäorgaanisista on, että niissä on yleensä molekyylejä. Tällaisten reaktioiden nopeus on alhainen ja tuotteen saanto on yleensä vain 50-80 %. Reaktionopeuden lisäämiseksi käytetään katalyyttejä ja lämpötilaa tai painetta nostetaan. Seuraavaksi tarkastelemme kemiallisten reaktioiden tyyppejä orgaanisessa kemiassa.

Luokittelu kemiallisten muutosten luonteen mukaan

• Korvausreaktiot
• Lisäysreaktiot
• Isomerointireaktio ja uudelleenjärjestely
• Hapetusreaktiot
• Hajoamisreaktiot

Korvausreaktiot

Substituutioreaktioiden aikana yksi atomi tai atomiryhmä alkuperäisessä molekyylissä korvataan muilla atomeilla tai atomiryhmillä, jolloin muodostuu uusi molekyyli. Yleensä tällaiset reaktiot ovat ominaisia ​​tyydyttyneille ja aromaattisille hiilivedyille, esimerkiksi:

Lisäysreaktiot

Kun additioreaktioita tapahtuu, kahdesta tai useammasta ainemolekyylistä muodostuu yksi molekyyli uutta yhdistettä. Tällaiset reaktiot ovat tyypillisiä tyydyttymättömille yhdisteille. On olemassa hydraus (pelkistys), halogenointi, hydrohalogenointi, hydraatio, polymerointi jne.:

1. Hydraus– vetymolekyylin lisääminen:

Eliminaatioreaktio

Eliminaatioreaktioiden seurauksena orgaaniset molekyylit menettävät atomeja tai atomiryhmiä ja muodostuu uusi aine, joka sisältää yhden tai useamman monisidoksen. Eliminaatioreaktioihin kuuluvat reaktiot dehydraus, nestehukka, dehydrohalogenointi ja niin edelleen.:

Isomerointireaktiot ja uudelleenjärjestelyt

Tällaisten reaktioiden aikana tapahtuu molekyylinsisäistä uudelleenjärjestelyä, ts. atomien tai atomiryhmien siirtyminen molekyylin yhdestä osasta toiseen muuttamatta reaktioon osallistuvan aineen molekyylikaavaa, esimerkiksi:

Hapetusreaktiot

Hapettavalle reagenssille altistumisen seurauksena hiilen hapetusaste orgaanisessa atomissa, molekyylissä tai ionissa kasvaa elektronien häviämisen vuoksi, mikä johtaa uuden yhdisteen muodostumiseen:

Kondensaatio- ja polykondensaatioreaktiot

Koostuu useiden (kahden tai useamman) orgaanisen yhdisteen vuorovaikutuksesta uusien muodostumisen kanssa C-C liitännät ja alhaisen molekyylipainon yhdisteet:

Polykondensaatio on polymeerimolekyylin muodostumista monomeereistä, jotka sisältävät funktionaalisia ryhmiä, jolloin vapautuu pienimolekyylipainoinen yhdiste. Toisin kuin polymerointireaktioissa, jotka johtavat polymeerin muodostumiseen, jonka koostumus on samanlainen kuin monomeeri, polykondensaatioreaktioiden seurauksena tuloksena olevan polymeerin koostumus eroaa sen monomeerista:

Hajoamisreaktiot

Tämä on prosessi, jossa monimutkainen orgaaninen yhdiste hajotetaan vähemmän monimutkaisiksi tai yksinkertaisiksi aineiksi:

C18H38 → C9H18 + C9H20

Kemiallisten reaktioiden luokittelu mekanismien mukaan

Reaktiot, joihin liittyy kovalenttisten sidosten katkeaminen orgaanisissa yhdisteissä, voivat tapahtua kahdella mekanismilla (ts. polku, joka johtaa vanhan sidoksen katkeamiseen ja uuden muodostumiseen) – heterolyyttinen (ioninen) ja homolyyttinen (radikaali).

Heterolyyttinen (ioninen) mekanismi

Heterolyyttisen mekanismin mukaisesti etenevässä reaktiossa muodostuu ionityyppisiä välihiukkasia, joissa on varautunut hiiliatomi. Hiukkasia kuljettavat positiivinen varaus kutsutaan karbokationeiksi, negatiivisia karbanioneiksi. Tässä tapauksessa ei tapahdu yhteisen elektroniparin katkeamista, vaan sen siirtymistä yhteen atomeista ionin muodostuessa:

Voimakkaasti polaarisilla, esimerkiksi H–O, C–O, ja helposti polarisoituvilla, esimerkiksi C–Br, C–I sidoksilla on taipumus heterolyyttiseen lohkeamiseen.

Heterolyyttisen mekanismin mukaan etenevät reaktiot jaetaan nukleofiilinen ja elektrofiilinen reaktiot. Reagenssia, jossa on elektronipari sidoksen muodostamiseksi, kutsutaan nukleofiiliseksi tai elektroneja luovuttavaksi. Esimerkiksi HO-, RO-, Cl-, RCOO-, CN-, R-, NH2, H20, NH3, C2H5OH, alkeenit, areenit.

Reagenssi, jolla on täyttämätön elektronikuori ja joka pystyy kiinnittämään parin elektroneja uuden sidoksen muodostuessa Seuraavia kationeja kutsutaan elektrofiilisiksi reagensseiksi: H +, R 3 C +, AlCl 3, ZnCl 2, SO 3. , BF3, R-Cl, R2C=O

Nukleofiiliset substituutioreaktiot

Alkyyli- ja aryylihalogenideille ominaista:

Nukleofiiliset additioreaktiot

Elektrofiiliset substituutioreaktiot

Elektrofiiliset additioreaktiot

Homolyyttinen (radikaalimekanismi)

Homolyyttisen (radikaali) mekanismin mukaisesti etenevien reaktioiden katkos tapahtuu ensimmäisessä vaiheessa kovalenttisidos radikaalien muodostumisen kanssa. Tuloksena oleva vapaa radikaali toimii sitten hyökkäävänä reagenssina. Sidosten katkeaminen radikaalimekanismilla on tyypillistä ei-polaarisille tai matalapolaarisille kovalenttisille sidoksille (C–C, N–N, C–H).

Erota radikaalisubstituutio- ja radikaaliadditioreaktiot

Radikaaliset siirtymäreaktiot

Ominaista alkaaneille

Radikaaliadditioreaktiot

Ominaista alkeeneille ja alkyyneille

Siksi tarkastelimme orgaanisen kemian kemiallisten reaktioiden päätyyppejä

Orgaanisten aineiden reaktiot voidaan muodollisesti jakaa neljään päätyyppiin: substituutio, lisäys, eliminaatio (eliminaatio) ja uudelleenjärjestely (isomerointi). On selvää, että kaikkia orgaanisten yhdisteiden reaktioita ei voida pelkistää ehdotettuun luokitukseen (esimerkiksi palamisreaktiot). Tällainen luokitus auttaa kuitenkin luomaan analogioita reaktioiden kanssa, jotka tapahtuvat sinulle jo tuttujen epäorgaanisten aineiden välillä.

Tyypillisesti reaktioon osallistuvaa pääasiallista orgaanista yhdistettä kutsutaan substraatti ja toista reaktiokomponenttia pidetään tavanomaisesti nimellä reagenssi.

Korvausreaktiot

Korvausreaktiot- Nämä ovat reaktioita, jotka johtavat alkuperäisen molekyylin (substraatin) yhden atomin tai atomiryhmän korvaamiseen muilla atomeilla tai atomiryhmillä.

Substituutioreaktioihin kuuluvat tyydyttyneet ja aromaattiset yhdisteet, kuten alkaanit, sykloalkaanit tai areenit. Otetaan esimerkkejä tällaisista reaktioista.

Valon vaikutuksesta metaanimolekyylin vetyatomit voidaan korvata halogeeniatomeilla, esimerkiksi klooriatomeilla:

Toinen esimerkki vedyn korvaamisesta halogeenilla on bentseenin muuntaminen bromibentseeniksi:

Tämän reaktion yhtälö voidaan kirjoittaa eri tavalla:

Tässä kirjoitusmuodossa reagenssit, katalyytti ja reaktio-olosuhteet kirjoitetaan nuolen yläpuolelle ja epäorgaaniset reaktiotuotteet sen alle.

Reaktioiden seurauksena substituutiot orgaanisissa aineissa eivät muodostu yksinkertaisia ​​ja monimutkaisia aineet, kuten epäorgaanisessa kemiassa, ja kaksi monimutkaiset aineet.

Lisäysreaktiot

Lisäysreaktiot- nämä ovat reaktioita, joiden seurauksena kaksi tai useampi reagoivien aineiden molekyylit yhdistyvät yhdeksi.

Tyydyttymättömät yhdisteet, kuten alkeenit tai alkyynit, käyvät läpi additioreaktioita. Riippuen siitä, mikä molekyyli toimii reagenssina, erotetaan hydraus (tai pelkistys), halogenointi, hydrohalogenointi, hydraatio ja muut additioreaktiot. Jokainen niistä vaatii tietyt ehdot.

1. Hydraus- vetymolekyylin lisäysreaktio moninkertaisen sidoksen kautta:

2. Hydrohalogenointi- vetyhalogenidiadditioreaktio (hydroklooraus):

3. Halogenointi- halogeeniadditioreaktio:

4.Polymerointi - erityinen tyyppi additioreaktiot, joiden aikana pienen molekyylipainon omaavien aineen molekyylit yhdistyvät toisiinsa muodostaen erittäin suuren molekyylipainon omaavan aineen molekyylejä - makromolekyylejä.

Polymerointireaktiot ovat prosesseja, joissa yhdistetään monia alhaisen molekyylipainon aineen (monomeerin) molekyylejä polymeerin suuriksi molekyyleiksi (makromolekyyleiksi).

Esimerkki polymerointireaktiosta on polyeteenin valmistus eteenistä (eteenistä) ultraviolettisäteilyn ja radikaalipolymeroinnin initiaattorin R vaikutuksesta.

Orgaanisille yhdisteille tyypillisin kovalenttinen sidos muodostuu, kun atomiradat menevät päällekkäin ja muodostuu yhteisiä elektronipareja. Tämän seurauksena muodostuu molemmille atomeille yhteinen orbitaali, jossa sijaitsee yhteinen elektronipari. Kun sidos katkeaa, näiden yhteisten elektronien kohtalo voi olla erilainen.

Reaktiivisten hiukkasten tyypit

Orbitaali, jossa on pariton elektroni, joka kuuluu yhteen atomiin, voi mennä päällekkäin toisen atomin kiertoradan kanssa, joka sisältää myös parittoman elektronin. Tässä tapauksessa kovalenttinen sidos muodostuu vaihtomekanismin mukaisesti:

Vaihtomekanismi kovalenttisen sidoksen muodostumiselle toteutuu, jos eri atomeihin kuuluvista parittomista elektroneista muodostuu yhteinen elektronipari.

Prosessi, joka on vastakkainen kovalenttisen sidoksen muodostumiselle vaihtomekanismilla, on sidoksen katkeaminen, jossa jokaiselle atomille menetetään yksi elektroni (). Tämän seurauksena muodostuu kaksi varaamatonta hiukkasta, joissa on parittomia elektroneja:

Tällaisia ​​hiukkasia kutsutaan vapaiksi radikaaleiksi.

Vapaat radikaalit- atomit tai atomiryhmät, joissa on parittomia elektroneja.

Vapaiden radikaalien reaktiot- Nämä ovat reaktioita, jotka tapahtuvat vapaiden radikaalien vaikutuksen alaisena ja niihin osallistuessa.

Epäorgaanisen kemian aikana nämä ovat vedyn reaktioita hapen, halogeenien ja palamisreaktioiden kanssa. Tämän tyyppisille reaktioille on ominaista suuri nopeus ja suurien lämpömäärien vapautuminen.

Kovalenttinen sidos voidaan muodostaa myös luovuttaja-akseptorimekanismilla. Yksi sellaisen atomin (tai anionin) kiertoradoista, jossa on yksittäinen elektronipari, menee päällekkäin sellaisen toisen atomin (tai kationin) vapaan kiertoradan kanssa, jolla on vapaa orbitaali, ja muodostuu kovalenttinen sidos, esimerkiksi:

Kovalenttisen sidoksen katkeaminen johtaa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden hiukkasten muodostumiseen (); koska tässä tapauksessa molemmat elektronit yhteisestä elektroniparista jäävät yhteen atomeista, toisella atomilla on täyttämätön kiertorata:

Tarkastellaan happojen elektrolyyttistä dissosiaatiota:

Voidaan helposti arvata, että hiukkanen, jossa on yksinäinen elektronipari R:-, eli negatiivisesti varautunut ioni, vetää puoleensa positiivisesti varautuneita atomeja tai atomeja, joissa on ainakin osittainen tai tehokas positiivinen varaus.
Hiukkasia, joissa on yksinäisiä elektronipareja, kutsutaan nukleofiiliset aineet (ydin- "ydin", atomin positiivisesti varautunut osa), eli ytimen "ystävät", positiivinen varaus.

Nukleofiilit(Nu) - anionit tai molekyylit, joissa on yksittäinen elektronipari, joka on vuorovaikutuksessa sellaisten molekyylien osien kanssa, joilla on tehokas positiivinen varaus.

Esimerkkejä nukleofiileista: Cl- (kloridi-ioni), OH- (hydroksidianioni), CH30- (metoksidianioni), CH3COO- (asetaattianioni).

Hiukkaset, joilla on täyttämätön kiertorata, päinvastoin pyrkivät täyttämään sen, ja siksi ne houkuttelevat molekyylien osia, joilla on lisääntynyt elektronitiheys, negatiivinen varaus ja yksinäinen elektronipari. He ovat elektrofiilejä, elektronin, negatiivisen varauksen "ystäviä" tai hiukkasia, joilla on lisääntynyt elektronitiheys.

Elektrofiilit- kationit tai molekyylit, joilla on täyttämätön elektronirata, jotka pyrkivät täyttämään sen elektroneilla, koska tämä johtaa edullisempaan elektroninen konfigurointi atomi.

Mikään hiukkanen ei ole elektrofiili, jolla on täyttämätön kiertorata. Esimerkiksi alkalimetallikationit ovat konfiguraatioltaan inerttejä kaasuja, eivätkä niillä ole taipumusta hankkia elektroneja, koska niillä on alhainen elektronien affiniteetti.
Tästä voimme päätellä, että täyttämättömän kiertoradan läsnäolosta huolimatta tällaiset hiukkaset eivät ole elektrofiilejä.

Perusreaktiomekanismit

Kolme päätyyppiä reagoivia hiukkasia on tunnistettu - vapaat radikaalit, elektrofiilit, nukleofiilit - ja kolme vastaavaa reaktiomekanismityyppiä:

• vapaa radikaali;
• elektrofiilinen;
• nollaofiilinen.

Sen lisäksi, että reaktiot luokitellaan reagoivien hiukkasten tyypin mukaan, orgaanisessa kemiassa erotetaan neljä reaktiotyyppiä molekyylien koostumuksen muuttamisen periaatteen mukaan: additio, substituutio, irtautuminen tai eliminaatio (englanniksi. to poistaa- poista, halkaise) ja uudelleenjärjestelyt. Koska lisäys ja substituutio voivat tapahtua kaikkien kolmen tyyppisten reaktiivisten lajien vaikutuksesta, voidaan erottaa useita pääreaktiomekanismit.

Lisäksi tarkastelemme eliminaatioreaktioita, jotka tapahtuvat nukleofiilisten hiukkasten - emästen - vaikutuksen alaisena.
6. Eliminaatio:

Alkeenien (tyydyttymättömien hiilivetyjen) erottuva piirre on niiden kyky suorittaa additioreaktioita. Suurin osa näistä reaktioista tapahtuu elektrofiilisen additiomekanismin avulla.

Hydrohalogenointi (halogeenin lisääminen vety):

Kun alkeeniin lisätään halogenidiä vety lisätään hydratumpaan hiiliatomi, eli atomi, jossa on enemmän atomeja vety ja halogeeni - vähemmän hydrattu.

Monet substituutioreaktiot avaavat tien useiden yhdisteiden tuotantoon, joilla on taloudellisia sovelluksia. Elektrofiilisellä ja nukleofiilisellä substituutiolla on valtava rooli kemian tieteessä ja teollisuudessa. Orgaanisessa synteesissä näillä prosesseilla on useita ominaisuuksia, joihin tulisi kiinnittää huomiota.

Erilaisia ​​kemiallisia ilmiöitä. Korvausreaktiot

Aineiden muuttumiseen liittyvät kemialliset muutokset erottuvat useista piirteistä. Lopulliset tulokset ja lämpövaikutukset voivat vaihdella; Jotkut prosessit menevät loppuun, toisissa tapahtuu aineiden muutos, johon liittyy usein hapetustilan nousu tai lasku. Luokittelussa kemiallisia ilmiöitä Niiden lopputuloksen perusteella kiinnitetään huomiota reagenssien ja tuotteiden laadullisiin ja määrällisiin eroihin. Näiden ominaisuuksien perusteella voidaan erottaa 7 kemiallista muutostyyppiä, mukaan lukien substituutio, joka noudattaa kaavaa: A-B + C A-C + B. Kokonaisen kemiallisten ilmiöiden luokan yksinkertaistettu merkintä antaa käsityksen, että lähtöaineiden joukossa on niin sanottu "hyökkäys" hiukkanen, joka korvaa atomin, ionin tai funktionaalisen ryhmän reagenssissa. Substituutioreaktiolle on ominaista rajoittava ja

Substituutioreaktiot voivat tapahtua kaksoisvaihdon muodossa: A-B + C-E A-C + B-E. Yksi alalajeista on esimerkiksi kuparin syrjäyttäminen raudalla kuparisulfaattiliuoksesta: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. "Hyökkäävä" hiukkanen voi olla atomeja, ioneja tai funktionaalisia ryhmiä

Homolyyttinen substituutio (radikaali, SR)

Kovalenttisten sidosten katkaisun radikaalimekanismilla eri alkuaineille yhteinen elektronipari jakautuu suhteellisesti molekyylin "fragmenttien" kesken. Vapaita radikaaleja muodostuu. Nämä ovat epästabiileja hiukkasia, joiden stabiloituminen tapahtuu myöhempien muutosten seurauksena. Esimerkiksi kun tuotetaan etaania metaanista, ilmaantuu vapaita radikaaleja, jotka osallistuvat substituutioreaktioon: CH 4 CH 3. + .N; CH 3. + .CH3 -> C2H5; N + .N → N2. Homolyyttisen sidoksen katkaisu yllä olevan substituutiomekanismin mukaisesti on ketjuluonteista. Metaanissa H-atomit voidaan korvata peräkkäin kloorilla. Reaktio bromin kanssa tapahtuu samalla tavalla, mutta jodi ei pysty suoraan korvaamaan alkaaneissa olevaa vetyä, fluori reagoi niiden kanssa liian voimakkaasti.

Heterolyyttinen sidosten katkaisumenetelmä

Korvausreaktioiden ionimekanismilla elektronit jakautuvat epätasaisesti vasta muodostuneiden hiukkasten välillä. Sidospari elektroneja menee kokonaan yhteen "fragmenteista", useimmiten siihen sidospartneriin, jota kohti polaarisen molekyylin negatiivinen tiheys siirtyi. Substituutioreaktiot sisältävät muodostusreaktion metyylialkoholi CH3OH. Bromimetaanissa CH3Br:ssa molekyylin pilkkoutuminen on heterolyyttistä ja varautuneet hiukkaset ovat stabiileja. Metyyli saa positiivisen varauksen ja bromi negatiivisen varauksen: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH-; CH3 + + OH- → CH3OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Elektrofiilit ja nukleofiilit

Hiukkasia, joista puuttuu elektroneja ja jotka voivat ottaa ne vastaan, kutsutaan "elektrofiileiksi". Näitä ovat hiiliatomit, jotka liittyvät halogeeneihin halogeenialkaaneissa. Nukleofiileillä on lisääntynyt elektronitiheys; Korvausreaktioissa elektronien nälkäiset elektrofiilit hyökkäävät nukleofiileihin, joissa on runsaasti negatiivisia varauksia. Tämä ilmiö liittyy atomin tai muun hiukkasen - poistuvan ryhmän - liikkumiseen. Toinen substituutioreaktion tyyppi on nukleofiilin hyökkäys elektrofiiliin. Joskus on vaikeaa erottaa kaksi prosessia toisistaan ​​ja liittää substituutio yhteen tai toiseen tyyppiin, koska on vaikeaa osoittaa tarkasti, mikä molekyyleistä on substraatti ja mikä reagenssi. Tyypillisesti tällaisissa tapauksissa otetaan huomioon seuraavat tekijät:

• lähtevän ryhmän luonne;
• nukleofiilinen reaktiivisuus;
• liuottimen luonne;
• alkyyliosan rakenne.

Nukleofiilinen substituutio (SN)

Vuorovaikutusprosessin aikana orgaanisessa molekyylissä havaitaan polarisaation lisääntymistä. Yhtälöissä osittainen positiivinen tai negatiivinen varaus osoitetaan kreikkalaisen aakkoston kirjaimella. Sidospolarisaatio mahdollistaa sen repeämisen luonteen ja molekyylin "fragmenttien" käyttäytymisen arvioinnin. Esimerkiksi jodimetaanissa olevalla hiiliatomilla on osittainen positiivinen varaus ja se on elektrofiilinen keskus. Se vetää puoleensa sitä osaa vesidipolista, jossa sijaitsee happi, jossa on ylimäärä elektroneja. Kun elektrofiili on vuorovaikutuksessa nukleofiilisen reagenssin kanssa, muodostuu metanolia: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Nukleofiiliset substituutioreaktiot tapahtuvat negatiivisesti varautuneen ionin tai molekyylin osallistuessa vapaan elektroniparin kanssa, joka ei ole mukana kemiallisen sidoksen muodostumisessa. Jodimetaanin aktiivinen osallistuminen SN 2 -reaktioihin selittyy sen avoimuudella nukleofiilisille hyökkäyksille ja jodin liikkuvuudella.

Elektrofiilinen substituutio (SE)

Orgaaninen molekyyli voi sisältää nukleofiilisen keskuksen, jolle on tunnusomaista ylimääräinen elektronitiheys. Se reagoi elektrofiilisen reagenssin kanssa, josta puuttuu negatiivisia varauksia. Tällaisia ​​hiukkasia ovat atomit, joilla on vapaita orbitaaleja, ja molekyylejä, joiden elektronitiheys on pieni. B-hiili, jolla on "-" varaus, on vuorovaikutuksessa vesidipolin positiivisen osan kanssa - vedyn kanssa: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Tämän elektrofiilisen substituutioreaktion tuote on metaani. Heterolyyttisissä reaktioissa orgaanisten molekyylien vastakkaisesti varautuneet keskukset ovat vuorovaikutuksessa, mikä tekee niistä samanlaisia ​​kuin ionit epäorgaanisten aineiden kemiassa. Ei pidä unohtaa, että orgaanisten yhdisteiden muuttumiseen liittyy harvoin todellisten kationien ja anionien muodostumista.

Mono- ja bimolekulaariset reaktiot

Nukleofiilinen substituutio on monomolekyylinen (SN1). Tätä mekanismia käytetään tärkeän orgaanisen synteesin tuotteen - tertiäärisen butyylikloridin - hydrolysoimiseen. Ensimmäinen vaihe on hidas, se liittyy asteittaiseen dissosioitumiseen karboniumkationiksi ja kloridianioniksi. Toinen vaihe etenee nopeammin, tapahtuu karboniumionien reaktio veden kanssa. korvataan alkaanissa oleva halogeeni hydroksiryhmällä ja saadaan primäärinen alkoholi: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH3)3C+ + H20 → (CH3)3C—OH + H+. Primääristen ja sekundääristen alkyylihalogenidien yksivaiheiselle hydrolyysille on tunnusomaista hiili-halogeenisidoksen samanaikainen tuhoutuminen ja C-OH-parin muodostuminen. Tämä on nukleofiilinen bimolekulaarinen substituutio (SN2) mekanismi.

Heterolyyttisen korvauksen mekanismi

Korvausmekanismi liittyy elektronien siirtoon ja välikompleksien luomiseen. Mitä nopeammin reaktio tapahtuu, sitä helpommin syntyy sen tunnusomaisia ​​välituotteita. Usein prosessi kulkee useaan suuntaan samanaikaisesti. Etu menee yleensä polulle, joka käyttää muodostumiseensa vähiten energiaa vaativia hiukkasia. Esimerkiksi kaksoissidoksen läsnäolo lisää allyylikationin CH2=CH-CH2+ ilmaantumisen todennäköisyyttä verrattuna CH3+-ioniin. Syynä on moninkertaisen sidoksen elektronitiheys, joka vaikuttaa molekyyliin hajallaan olevan positiivisen varauksen siirtymiseen.

Bentseenin substituutioreaktiot

Ryhmä, jolle on tunnusomaista elektrofiilinen substituutio, ovat areeenit. Bentseenirengas on kätevä kohde elektrofiiliselle hyökkäykselle. Prosessi alkaa sidoksen polarisaatiolla toisessa reagenssissa, mikä johtaa elektrofiilin muodostumiseen bentseenirenkaan elektronipilven viereen. Tämän seurauksena syntyy siirtymäkompleksi. Elektrofiilisen hiukkasen ja yhden hiiliatomin välillä ei ole vielä täyttä yhteyttä, se vetää puoleensa "aromaattisen kuuden" elektronin koko negatiivinen varaus. Prosessin kolmannessa vaiheessa elektrofiili ja yksi renkaan hiiliatomi yhdistetään jaetulla elektroniparilla (kovalenttinen sidos). Mutta tässä tapauksessa "aromaattinen kuusi" tuhoutuu, mikä on kannattamatonta vakaan, vakaan energiatilan saavuttamisen kannalta. Havaitaan ilmiö, jota voidaan kutsua "protonien ejektioksi". H+ eliminoituu ja areeneille ominainen vakaa viestintäjärjestelmä palautuu. Sivutuote sisältää vetykationin bentseenirenkaasta ja anionin toisesta reagenssista.

Esimerkkejä substituutioreaktioista orgaanisesta kemiasta

Alkaaneille on erityisen tunnusomaista substituutioreaktio. Esimerkkejä elektrofiilisistä ja nukleofiilisistä transformaatioista voidaan antaa sykloalkaaneille ja areeneille. Samanlaisia ​​reaktioita orgaanisten aineiden molekyyleissä tapahtuu normaaleissa olosuhteissa, mutta useammin kuumennettaessa ja katalyyttien läsnä ollessa. Yleisiin ja hyvin tutkittuihin prosesseihin kuuluu elektrofiilinen substituutio aromaattisessa renkaassa. Tärkeimmät tämän tyyppiset reaktiot:

1. Bentseenin nitraus H2S04:n läsnä ollessa etenee kaavion mukaisesti: C6H6 → C6H5-NO2.
2. Bentseenin katalyyttinen halogenointi, erityisesti klooraus, yhtälön mukaan: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Aromaattinen prosessi etenee "savuvalla" rikkihapolla, jolloin muodostuu bentseenisulfonihappoja.
4. Alkylointi on bentseenirenkaan vetyatomin korvaamista alkyylillä.
5. Asylaatio – ketonien muodostuminen.
6. Formylaatio on vedyn korvaamista CHO-ryhmällä ja aldehydien muodostumista.

Substituutioreaktioihin kuuluvat alkaanien ja sykloalkaanien reaktiot, joissa halogeenit hyökkäävät saatavilla olevaan CH-sidokselle. Johdannaisten muodostus voi sisältää yhden, kahden tai kaikkien vetyatomien korvaamisen tyydyttyneissä hiilivedyissä ja sykloparafiineissa. Monia pienen molekyylipainon halogeenialkaaneja käytetään monimutkaisempien eri luokkiin kuuluvien aineiden valmistukseen. Substituutioreaktioiden mekanismien tutkimuksessa saavutettu edistys on antanut voimakkaan sysäyksen alkaaneihin, sykloparafiineihin, areeneihin ja halogenoituihin hiilivetyihin perustuvien synteesien kehitykselle.

Orgaanisten aineiden reaktiot voidaan muodollisesti jakaa neljään päätyyppiin: substituutio, lisäys, eliminaatio (eliminaatio) ja uudelleenjärjestely (isomerointi). On selvää, että orgaanisten yhdisteiden reaktioiden koko kirjoa ei voida pelkistää ehdotetun luokituksen puitteissa (esimerkiksi palamisreaktiot). Tällainen luokitus auttaa kuitenkin luomaan analogioita epäorgaanisten aineiden välillä tapahtuvien reaktioiden luokittelujen kanssa, jotka ovat jo tuttuja epäorgaanisen kemian kurssista.

Tyypillisesti reaktioon osallistuvaa pääasiallista orgaanista yhdistettä kutsutaan substraatiksi, ja toista reaktion komponenttia pidetään tavanomaisesti lähtöaineena.

Korvausreaktiot

Reaktioita, joissa yksi atomi tai atomiryhmä korvataan alkuperäisessä molekyylissä (substraatissa) muilla atomeilla tai atomiryhmillä, kutsutaan substituutioreaktioksi.

Substituutioreaktioihin kuuluvat tyydyttyneet ja aromaattiset yhdisteet, kuten esimerkiksi alkaanit, sykloalkaanit tai areenit.

Otetaan esimerkkejä tällaisista reaktioista.

Valon vaikutuksesta metaanimolekyylin vetyatomit voidaan korvata halogeeniatomeilla, esimerkiksi klooriatomeilla:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

Toinen esimerkki vedyn korvaamisesta halogeenilla on bentseenin muuntaminen bromibentseeniksi:

Tässä kirjoitusmuodossa reagenssit, katalyytti ja reaktio-olosuhteet kirjoitetaan nuolen yläpuolelle ja epäorgaaniset reaktiotuotteet sen alle.

Lisäysreaktiot

Reaktioita, joissa kaksi tai useampi reagoivien aineiden molekyylit yhdistyvät yhdeksi, kutsutaan additioreaktioksi.

Tyydyttymättömät yhdisteet, kuten alkeenit tai alkyynit, käyvät läpi additioreaktioita. Riippuen siitä, mikä molekyyli toimii reagenssina, erotetaan hydraus (tai pelkistys), halogenointi, hydrohalogenointi, hydraatio ja muut additioreaktiot. Jokainen niistä vaatii tietyt ehdot.

1 . Hydraus - vetymolekyylin lisäysreaktio moninkertaisen sidoksen kautta:

CH3-CH = CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3

propeenipropaani

2 . Hydrohalogenointi - vetyhalogenidiadditioreaktio (esimerkiksi hydroklooraus):

CH2=CH2 + HCl → CH3-CH2-Cl

eteeni kloorietaani

3 . Halogenointi - halogeeniadditioreaktio (esimerkiksi klooraus):

CH2=CH2 + Cl2 → CH2Cl-CH2CI

eteeni 1,2-dikloorietaani

4 . Polymerointi - erityinen additioreaktio, jossa pienen molekyylipainon omaavan aineen molekyylit yhdistyvät keskenään muodostaen molekyylejä aineen molekyylipainosta erittäin korkealla - makromolekyylejä.

Polymerointireaktiot - Nämä ovat prosesseja, joissa monet pienimolekyylisen aineen (monomeerin) molekyylit yhdistetään polymeerin suuriksi molekyyleiksi (makromolekyyleiksi).

Esimerkki polymerointireaktiosta on polyeteenin valmistus eteenistä (eteenistä) ultraviolettisäteilyn ja radikaalipolymeroinnin initiaattorin R vaikutuksesta.

Kemiallisten reaktioiden tyypit orgaanisessa kemiassa

Eliminaatioreaktiot

Reaktioita, jotka johtavat useiden uusien aineiden molekyylien muodostumiseen alkuperäisen yhdisteen molekyylistä, kutsutaan eliminaatio- tai eliminaatioreaktioksi.

Esimerkkejä tällaisista reaktioista ovat eteenin valmistus erilaisista orgaanisista aineista.

Kemiallisten reaktioiden tyypit orgaanisessa kemiassa

Eliminaatioreaktioista erityisen tärkeä on hiilivetyjen lämpöhalkeamisreaktio, johon alkaanien krakkaus perustuu - tärkein tekninen prosessi:

Useimmissa tapauksissa pienen molekyylin pilkkominen lähtöaineen molekyylistä johtaa ylimääräisen n-sidoksen muodostumiseen atomien välille. Eliminaatioreaktiot tapahtuvat tietyissä olosuhteissa ja tietyillä reagensseilla. Annetut yhtälöt heijastavat vain näiden muunnosten lopputulosta.

Isomerointireaktiot

Reaktioita, joiden seurauksena yhden aineen molekyylejä muodostuu muiden aineiden molekyyleistä, joilla on sama laadullinen ja määrällinen koostumus, eli joilla on sama molekyylikaava, kutsutaan isomerointireaktioksi.

Esimerkki tällaisesta reaktiosta on lineaaristen alkaanien hiilirungon isomeroituminen haarautuneiksi, mikä tapahtuu alumiinikloridilla korkeassa lämpötilassa:

Kemiallisten reaktioiden tyypit orgaanisessa kemiassa

1 . Millainen reaktio tämä on:

a) kloorimetaanin tuottaminen metaanista;

b) bromibentseenin saaminen bentseenistä;

c) tuotetaan kloorietaania eteenistä;

d) eteenin tuottaminen etanolista;

e) butaanin muuntaminen isobutaaniksi;

f) etaanidehydraus;

g) bromietaanin muuttaminen etanoliksi?

2 . Mitkä reaktiot ovat tyypillisiä: a) alkaaneille; b) alkeenit? Anna esimerkkejä reaktioista.

3 . Mitkä ovat isomerointireaktioiden piirteet? Mitä yhteistä niillä on reaktioiden kanssa, jotka tuottavat yhden kemiallisen alkuaineen allotrooppisia modifikaatioita? Antaa esimerkkejä.

4. Missä reaktioissa (lisäys, substituutio, eliminaatio, isomerointi) on lähtöyhdisteen molekyylipaino:

a) lisääntyy;

b) vähenee;

c) ei muutu;

d) kasvaako vai laskeeko se reagenssista riippuen?