Типы органических реакций

Изучение зависимости между строением и химическим поведением – реакционной способностью – органических молекул показало, что существуют два основных способа разрыва их ковалентных связей в процессе реакции: гомолитический и гетеролитический.

Гомолитическое расщепление ковалентной связи происходит вследствие симметричного разрыва электронной пары:

А : В → А. + ^. В

Гомолитическая диссоциация молекул обычно вызывается термическим или фотохимическим разложением органических веществ, а также происходит под действием излучения высокой энергии. В результате гомолитической диссоциации молекул образуются свободные радикалы – электронейтральные частицы с неспаренными электронами.

Гетеролитическое расщепление – несимметричное расщепление ковалентной связи приводит к возникновению ионов:

А : В → А⁺ + :В^-

А : В → А:^- + В⁺

Реакционная способность молекул, участвующих в гетеролитических реакциях, обусловлена полярностью, поляризуемостью, а также сопряжением их связей. Направление и скорость реакций зависят от природы атакующего органическую молекулу реагента, природы растворителя, действия катализаторов и других факторов.

Полярные реагенты разделяются на нуклеофильные и электрофильные. Нуклеофильные, или электронодонорные, реагенты отдают свои электроны углеродному атому в органической молекуле, образуя с ним химическую связь. Электрофильные, или электроноакцепторные, реагенты приобретают электроны от углерода органической молекулы, образуя с ним химическую связь.

Нуклеофильными реагентами являются отрицательно заряженные ионы, молекулы с неподеленными парами электронов, молекулы с сильно поляризованными или легко поляризуемыми связями:

I^-, Br^-, Cl^-, OH^-, OR^-, CN^-, H₂O, NH₃, ROH, ─CH=CH─ (олефины)

К элекрофильным реагентам относятся положительно заряженные ионы, молекулы с незаполненными электронными оболочками, молекулы галогенов, карбонилсодержащие соединения, ацетиленовые углеводороды:

H⁺, NH₄⁺, NO₂⁺, NO⁺, F₂, Cl₂, Br₂, I₂, ─C≡C─

Классификация органических реакций:

1. По направлению реакции

реакции присоединения

реакции отщепления

реакции замещения

2. По механизму реакции

гетеролитические (нуклеофильные и электрофильные)

гомолитические

3. По количеству молекул, участвующих в стадии протекания реакции с наибольшей скоростью

мономолекулярные

бимолекулярные и т.д.

Лекция 2 Предельные углеводороды (алканы)

Предельные, или насыщенные углеводороды состоят из молекул, в которых атомы углерода связаны простой связью. Общая формула гомологического ряда С_nH_2n+2. Алканы – бесцветные вещества, практически в воде не растворимые. Первые четыре члена гомологического ряда метана при обычных условиях – газы; с С₅ до С₁₅ – жидкости. Высшие предельные углеводороды, начиная с С₁₆Н₃₄ – твердые тела.

Соединения с прямой цепью называют нормальными(н-), а с разветвленной – изосоединениями (изо-). Эти соединения называют изомерами. Изомеры с нормальной цепью кипят при более высокой температуре, чем с разветвленной.

Химические реакции предельных углеводородов осуществляются путем расщепления связей С─Н и разрыва цепи углеродных атомов. Это реакции замещения при насыщенном атоме углерода или радикальные реакции замещения. Примером реакций замещения являются процессы галогенирования, сульфирования, нитрования, сульфохлорирования и др. Последние весьма важны для практики, позволяя получать полупродукты для производства поверхностно-активных веществ (ПАВ). Реакция сульфохлорирования такова:

R─H + SO₂ + Cl₂ = R─ SO₂ Cl + HCl

^{алкилсульфохлорид}

При действии галогенов на предельные углеводороды под влиянием света в результате замещения атомов водорода образуются галогеналкилы:

СН₄ +Cl₂ → CH₃Cl + HCl

^{хлористый метил}

Хлоропроизводные алканов широко применяются в строительстве. Это их представители, содержащие 15 и более атомов углерода, употребляемые в производстве труб, шлангов, пленок, покрытий для полов и т. д. Их применяют также для получения термо- и водостойких красок. Жидкие хлоралканы используют в качестве смазок.

Концентрированная азотная кислота при нагревании окисляет предельные углеводороды, образуя нитросоединения:

R─H + HONO₂ → R─ NO₂ + H₂O

При нитровании по Коновалову наиболее легко на нитрогруппу замещается водород у третичного атома углерода, медленнее – у вторичного и труднее всего – у первичного. Первичным атомом углерода считается тот, который затратил только одну валентную связь на соединение с другим углеродным атомом; вторичным – две; третичным – три и четвертичным – четыре.

При окислении предельных углеводородов в присутствии катализаторов получают карбоновые кислоты:

СН₄ + 1,5О₂ ─→ НСООН + Н₂О

Предельные углеводороды можно получить следующими способами:

1. Гидрированием непредельных углеводородов C_nH_2n + H₂→ C_nH_2n+2

2. Восстановлением галогеналкилов R─I + H₂ → R─H + HI

3. Взаимодействием галогеналкилов с HГ R─I + HI → R─H +I₂

4. При разложении карбоновых кислот R─COOH →R─H + СО₂

5. Методом Вюрца CH₃I + 2Na + ICH₃ →C₂H₆ + 2NaI

6. Восстановлением монооксида углерода 2nCO + (n+1)H₂ →C_nH_2n+2 +nCO₂ Эта реакция лежит в основе получения синтетического бензина