Классификация химических реакций по механизму разрыва химической связи

При протекании химических реакций ковалентные связи в органических соединениях разрываются по гомолитическому или гетеролитическому механизму.

При гомолитическом разрыве связи электронная пара распадается на два электрона и соответственно возникают два атома или группа атомов с неспаренными электронами – свободные радикалы:

СН₄ → ∙СН₃ + ∙Н

радикал-метил радикал водорода

С вободные радикалы – очень реакционноспособные частицы. Реакции, протекающие с их участием, называются радикальными. Самые химически активные, а, следовательно, и самые неустойчивые − неразветвленные радикалы. Разветвленные радикалы устойчивее неразветвленных. Вторичные радикалы устойчивее первичных, а третичные – устойчивее вторичных. Так, в ряду радикалов:

бутил СН₃−СН₂−СН₂−ĊН₂; изобутил ;

в тор-бутил ; трет-бутил

устойчивость радикалов увеличивается, химическая активность уменьшается.

При гетеролитическом разрыве связи электронная пара переходит к одному из атомов, в результате чего возникают катионы и анионы:

CH₃Cl → CH₃⁺ + Cl^‾

метилхлорид метил-катион хлорид-анион

Образовавшиеся катионы и анионы принимают участие в последующих взаимодействиях. Положительно заряженные ионы (катионы) стремятся в ходе реакции получить электроны, поэтому их называют электрофильными, или электроноакцепторными реагентами. Они реагируют с молекулами, содержащими атомы с неподеленными электронными парами (Н₂Ö, NH₃), или

с анионами, например OH^‾, Cl^‾, Br^‾, I^‾:

CH₃⁺ + ОH^‾ → CH₃OH

Реакции, протекающие под действием положительных частиц, называются электрофильными.

Отрицательно заряженные ионы (анионы), например СН₃СОО^‾, I^‾, стремятся отдать электроны, поэтому они называются нуклеофильными, или электронодонорными реагентами. Они взаимодействуют с частицами, которые несут положительный заряд, например катионами металлов, ионами водорода:

СН₃СОО^‾ + Н⁺ → СН₃СООН

Реакции, протекающие под действием отрицательных частиц, называются нуклеофильными.

Углеводороды

Природа химической связи в углеводородах

Атом углерода в возбужденном состоянии имеет 4 неспаренных электрона. При образовании химических связей может происходить sp³-, sp²-, sp-гибридизация атомных орбиталей углерода.

При sp³-гибридизации возникают 4 равноценные орбитали, расположенные в пространстве относительно друг друга под углом 109,5⁰. Каждый атом углерода образует 4 ковалентные связи с другими атомами углерода и с атомами водорода. В результате образуются углеводороды алканы, у которых все валентности углеродных атомов насыщены.

В случае sp²-гибридизации у атома углерода образуются 3 гибридные орбитали и сохраняется одна негибридная р-орбиталь. Гибридные орбитали находятся в одной плоскости под углом 120⁰ относительно друг друга, а р-орбиталь расположена перпендикулярно этой плоскости. Соответственно атом углерода образует 3 s-связи с атомом углерода и атомами водорода и одну p-связь с атомом углерода. При sp²-гибридизации у двух атомов углерода образуются алкены – непредельные углеводороды с одной двойной связью, а при sp²-гибридизации у четырех атомов углерода образуются диены – непредельные углеводороды с двумя двойными связями. sp²-гибридизация шести атомов углерода приводит к замыканию шестичленного кольца и возникновению плоской молекулы бензола. У каждого атома углерода имеется также по одному негибридизированному р-электрону, который в случае бензола является нелокализованным.

При sp-гибридизации у атома углерода возникают две гибридные орбитали под углом 180⁰ относительно друг друга и сохраняются две негибридные р-орбитали, расположенные под углом 90⁰ друг к другу. Атом углерода образует две s-связи с атомом углерода и с атомом водорода и две p-связи с атомом углерода. В результате образуется алкин – непредельный углеводород с тройной связью.