Классификация химических реакций. Химические свойства алканов, алкенов и алкадиенов

Для рассмотрения химических свойств конкретных классов органических соединений необходимо усвоить некоторые общие понятия, такие, как реакционная способность вещества, реакционные центры молекулы, механизм химической реакции, а также классификацию химических реакций.

Большинство органических реакций протекает в несколько элементарных стадий. Механизм реакции – это детальное описание реакции с указанием промежуточных частиц. Иначе говоря, под механизмом реакции понимают общий путь, по которому проходит реакция от исходных веществ до её конечных продуктов.

Способность вещества вступать в ту или иную реакцию и реагировать с большей или меньшей скоростью называется реакционной способностью данного вещества.

В ходе реакции обычно изменяется не вся молекула, а так называемый реакционный центр. Это атом или группа атомов, непосредственно участвующих в данной химической реакции.

В реакции участвуют субстрат (само вещество) и реагент (соединение или частица, действующие на субстрат).

Разнообразные химические реакции классифицируют по следующим признакам: по конечному результату, по типу разрыва связей и по характеру атакующей частицы.

По конечному результату реакции подразделяют на следующие типы:

1. Реакции замещения (сокращённо их обозначают символом S -substitution). Например:

В этой реакции хлор в молекуле хлорметана замещается на гидроксильную группу.

2. Реакции присоединения (A - addition). Например:

Молекула хлороводорода присоединяется к молекуле этена.

3. Реакции элиминирования (отщепления) (E - elimination). Например:

В этой реакции под действием спиртового раствора щёлочи происходит отщепление хлороводорода от молекулы хлорэтана.

4. Реакции окисления и восстановления, например:

В этой реакции произошло окисление метанола до формальдегида (в органической химии под окислением понимают увеличение количества связей с кислородом).

Классификация по типу разрыва связей

Ковалентные связи могут разрываться по-разному. Рассмотрим типы разрыва связей.

Если при разрыве химической связи у каждого из атомов остаётся по одному электрону, такой тип разрыва называют гомолитическим, или гомолизом (от греческих слов: гомо – одинаковый, лизис – расщепление). Схематично это можно показать следующим образом:

Такой тип разрыва характерен для неполярных и малополярных связей. Ему способствуют определённые внешние факторы: облучение, нагревание, проведение реакции в газовой фазе или в среде неполярного растворителя (чтобы исключить поляризацию связи).

Полученные частицы не заряжены (электронейтральны), имеют неспаренный электрон, поэтому очень активны. Нейтральные частицы с неспаренным электроном называются свободными радикалами, отсюда другое название гомолитического типа разрыва связи – радикальный тип.

Если при разрыве связи пара электронов остаётся у одного из атомов, такой тип разрыва называют гетеролитическим, или гетеролизом (гетерос – разный, другой).

Такой тип разрыва характерен для полярных связей. Ему способствуют наличие полярного растворителя, нагревание, катализаторы (кислоты или щёлочи).

В результате разрыва связи образовались заряженные частицы – ионы, поэтому другое название гетеролитического типа разрыва связи – ионный тип.

Итак, по типу разрыва связей реакции классифицируют на гомолитические (радикальные) и гетеролитические (ионные).

Гетеролитические реакции классифицируют дальше в зависимости от электронной природы атакующей частицы. Их подразделяют на электрофильные и нуклеофильные.

Электрофильные реагенты (электрофилы, Е, «любящие электроны») – частицы с полным положительным зарядом или нейтральные молекулы с недостатком электронной плотности на каком-то из атомов. Например: H⁺, NO₂⁺, CH₃⁺, Cl⁺, SO₃.

Нейтральная молекула SO₃ является электрофилом из-за перераспределения электронной плотности в молекуле.

Три электроотрицательных атома кислорода смещают электронную плотность с серы на себя, и на атоме серы возникает большой по величине частичный положительный заряд (это обозначается как δ+).

Электрофилы атакуют в молекуле субстрата центры с повышенной электронной плотностью.

Нуклеофильные реагенты (нуклеофилы, Nu, «любящие ядро») – частицы с полным отрицательным зарядом или молекулы с неподелённой электронной парой. Например:

Нуклеофилы способны образовывать ковалентную связь с субстратом, атакуя в его молекуле центры с пониженной электронной плотностью.

При характеристике органических реакций чаще пользуются критериями различных классификаций, например, радикальное замещение (S_R), электрофильное присоединение (A_E), нуклеофильное замещение (S_N).

Итак, мы рассмотрели, какие типы реакций вообще возможны в органических соединениях и теперь можем перейти к общим закономерностям их реакционной способности как химической основе биологического функционирования органических молекул.