Реакции на присъединяване и заместване в органични вещества. Видове органични реакции

Резюме: „Видове химични реакции в органичната химия“

Реакциите на органичните вещества могат формално да бъдат разделени на четири основни типа: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране) и пренареждане (изомеризация). Очевидно е, че цялото разнообразие от реакции на органични съединения не може да бъде сведено до рамката на предложената класификация (например реакции на горене). Такава класификация обаче ще помогне да се установят аналогии с класификациите на реакциите, протичащи между неорганични вещества, които вече са ви познати от курса на неорганичната химия.

Обикновено основното органично съединение, участващо в реакцията, се нарича субстрат, а другият компонент на реакцията обикновено се счита за реагент.

Реакции на заместване

Реакциите, които водят до заместване на един атом или група от атоми в оригиналната молекула (субстрат) с други атоми или групи от атоми, се наричат реакции на заместване.

Реакциите на заместване включват наситени и ароматни съединения, като например алкани, циклоалкани или арени.

Нека дадем примери за такива реакции.

Под въздействието на светлината водородните атоми в молекулата на метан могат да бъдат заменени с халогенни атоми, например хлорни атоми:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

Друг пример за заместване на водород с халоген е превръщането на бензен в бромобензен:

При тази форма на писане реагентите, катализаторът и условията на реакцията се изписват над стрелката, а неорганичните продукти на реакцията се изписват под нея.

Реакции на присъединяване

Реакциите, при които две или повече молекули на реагиращи вещества се комбинират в една, се наричат реакции на присъединяване.

Ненаситените съединения, като алкени или алкини, претърпяват реакции на присъединяване. В зависимост от това коя молекула действа като реагент, се разграничават реакции на хидрогениране (или редукция), халогениране, хидрохалогениране, хидратиране и други реакции на присъединяване. Всеки от тях изисква определени условия.

1 . Хидрогениране - реакция на добавяне на водородна молекула чрез множествена връзка:

CH3-CH = CH2 + H2 → CH3-CH2-CH3

пропен пропан

2 . Хидрохалогениране - реакция на добавяне на халогеноводород (например хидрохлориране):

CH2=CH2 + HCl → CH3-CH2-Cl

етен хлороетан

3 . Халогениране - реакция на добавяне на халоген (например хлориране):

CH2=CH2 + Cl2 → CH2Cl-CH2Cl

етен 1,2-дихлороетан

4 . Полимеризация - специален тип реакция на присъединяване, при която молекули на вещество с малко молекулно тегло се свързват помежду си, за да образуват молекули на вещество с много високо молекулно тегло - макромолекули.

Реакции на полимеризация - това са процеси на комбиниране на много молекули на нискомолекулно вещество (мономер) в големи молекули (макромолекули) на полимер.

Пример за реакция на полимеризация е производството на полиетилен от етилен (етен) под действието на ултравиолетово лъчение и инициатор на радикална полимеризация R.

Видове химични реакции в органичната химия

Елиминационни реакции

Реакциите, които водят до образуването на молекули на няколко нови вещества от молекула на първоначалното съединение, се наричат реакции на елиминиране или елиминиране.

Примери за такива реакции включват производството на етилен от различни органични вещества.

Видове химични реакции в органичната химия

Особено важно сред реакциите на елиминиране е реакцията на термично разделяне на въглеводороди, на която се основава крекингът на алкани - най-важният технологичен процес:

В повечето случаи разцепването на малка молекула от молекула на основното вещество води до образуването на допълнителна n-връзка между атомите. Реакциите на елиминиране протичат при определени условия и с определени реагенти. Дадените уравнения отразяват само крайния резултат от тези трансформации.

Реакции на изомеризация

Реакциите, в резултат на които молекули на едно вещество се образуват от молекули на други вещества със същия качествен и количествен състав, т.е. със същата молекулна формула, се наричат реакции на изомеризация.

Пример за такава реакция е изомеризацията на въглеродния скелет на линейни алкани в разклонени, което се случва върху алуминиев хлорид при висока температура:

Видове химични реакции в органичната химия

1 . Какъв тип реакция е това:

а) получаване на хлорометан от метан;

б) получаване на бромобензен от бензен;

c) производство на хлороетан от етилен;

г) производство на етилен от етанол;

д) превръщане на бутан в изобутан;

f) дехидрогениране на етан;

ж) превръщане на бромоетан в етанол?

2 . Какви реакции са характерни за: а) алкани; б) алкени? Дайте примери за реакции.

3 . Какви са характеристиките на реакциите на изомеризация? Какво общо имат те с реакциите, произвеждащи алотропни модификации на един химичен елемент? Дай примери.

4. В кои реакции (добавяне, заместване, елиминиране, изомеризация) е молекулното тегло на изходното съединение:

а) нараства;

б) намалява;

в) не се променя;

г) увеличава ли се или намалява в зависимост от реактива?

Нуклеофилние реакция, при която реагент атакува субстрата със своя нуклеофил; означава се с индексн (нуклеофил).

При електрофилни реакции реагентът обикновено се нарича електрофил. В органичната химия електрофилността на реагента характеризира способността му да взаимодейства с въглероден атом на субстрата, който носи пълен или частичен отрицателен заряд.

Всъщност механизмът и резултатът от всяка електрофилно-нуклеофилна реакция се определя не само от свойствата на реагента, но и от свойствата на субстрата, получените продукти на реакцията, разтворителя и условията за неговото провеждане. Следователно разделянето на електрофилно-нуклеофилните реакции на нуклеофилни и електрофилни само въз основа на свойствата на реагента е условно. Освен това, както може да се види от горните диаграми, в тези реакции електрофилите и нуклеофилите, съдържащи се в субстрата и реагента, винаги взаимодействат помежду си. В много реакции само условно единият компонент може да се счита за субстрат, а другият за реагент.

Свободни радикални реакции.Хомолитичното разпадане е характерно за неполярни или нискополярни връзки. Съпровожда се от образуването на свободни радикали - частици с несдвоен електрон.

Хомолизата на ковалентна връзка може да се разглежда като разцепване на тази връзка чрез обменен механизъм. За да се извърши хомолиза на връзка, е необходима енергия (топлина, светлина), достатъчна за разрушаване на тази връзка. Наличието на несдвоен електрон е причина за ниската стабилност на свободните радикали (времето на живот в повечето случаи е част от секундата) и високата реактивност в свободни радикални реакции.Наличието на свободен радикал (R۰) в системата може да доведе до образуването на нови радикали поради взаимодействието му със съществуващи молекули: R۰ + A – B → R – A + ۰B

Свободни радикални реакцииса придружени от взаимодействието на свободните радикали с молекулите или помежду си с образуването на нови свободни радикали (нуклеация или развитие на верига) или само молекули (прекъсване на веригата).

Свободнорадикалните реакции се характеризират с верижен механизъм, който включва три етапа: иницииране, развитие и прекъсване на веригата. Тези реакции спират, когато свободните радикали изчезнат от системата. Свободнорадикалните реакции се обозначават с индекс R (радикал).

Радикалните частици, в зависимост от техния електронен афинитет, могат както да приемат електрони (т.е. да бъдат окислители), така и да даряват електрони (т.е. да бъдат редуциращи агенти). В този случай афинитетът на радикала към електрона се определя не само от неговите свойства, но и от свойствата на неговия партньор по реакцията. Характеристиките на процесите на окисление и редукция на свободните радикали, протичащи в организма, се разглеждат отделно при описанието на свойствата на определени класове органични съединения.

В реакциите на комплексообразуване радикалите могат да бъдат както комплексообразуващи агенти, така и лиганди. В случай на комплекси за пренос на заряд, образуването на радикали може да възникне в комплекса поради вътрешномолекулно окисление-редукция между комплексообразуващия агент и лиганда.

Образуването на радикали става най-лесно по време на хомолизата на неполярни прости връзки между атоми на един и същи елемент:

C1 2 → C1۰ + ۰С1 HO-OH → СО۰ + ۰ОН

R-O-O-R" → RO۰ + ۰OR" R-S-S-R" →RS۰ + ۰SR"

Хомолизата на нискополярна СН връзка произвежда алкилови радикали, в които несдвоеният електрон е разположен при въглеродния атом. Относителната стабилност на тези радикали зависи от вида на заместването на въглеродния атом, носещ несдвоения електрон, и се увеличава в серията: CH 3< CH 2 R < CHR 2 < CR 3 . Это объясняется положительным индуктивным эффектом алкильных групп, который, повышая электронную плотность на атоме углерода, способствует стабилизации радикала.

Стабилността на свободните радикали се увеличава значително, когато е възможно да се делокализира несдвоеният електрон поради π-електроните на съседните множествени връзки. Това е особено ясно наблюдавано в алилните и бензиловите радикали:

алилен радикал бензилов радикал

Когато се запознавате с възможните реакционни механизми в молекулите на субстрата и реагента, реакционните центрове трябва да бъдат разграничени по тяхната природа: нуклеофилни, електрофилниИ радикален.

Според крайния резултат от химическата трансформация най-простите органични реакции се класифицират на реакции: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране)И прегрупиране.

Реакции на заместване.Заместването се отнася до заместването на атом или група с друг атом или група. При реакция на заместване винаги се образуват два различни продукта. Този тип реакция се обозначава със символа S (заместване).

Реакциите на заместване включват: халогениране и нитриране на алкани, естерификация и алкилиране на карбоксилни киселини, както и множество реакции на прости полярни молекули (H 2 O, NH 3, NGal) с етери, алкохоли и халогенни производни.

Реакции на присъединяване.Под добавяне разбираме въвеждането на атоми или групи в молекулата на ненаситено съединение, придружено от разкъсване на π връзки. В този случай двойните връзки се превръщат в единични връзки, а тройните връзки в двойни или единични връзки. Този тип реакция се обозначава със символа А (допълнение).

Елиминационни реакции.Елиминирането се отнася до отстраняването на атоми или групи от органична молекула, за да се образува множествена връзка. Следователно реакциите на елиминиране са противоположни на реакциите на добавяне. Този тип реакция се обозначава със символа Е (елиминиране).

Всяка от органичните реакции на заместване (S), добавяне (A) или елиминиране (E) може да бъде електрофилна (E), нуклеофилна (N) или радикална (R). Така в органичната химия има девет типични реакции, обозначени със символите S, A или E с индекси R, N или E:

Дадените видове органични реакции трябва да се считат за моделни, тъй като не винаги се осъществяват в чист вид. Например, заместването и елиминирането могат да се появят едновременно:

При по-нататъшно запознаване със специфични класове органични съединения ще разгледаме техните химични свойства: киселинно-основни, комплексообразуващи, редокс, електрофилно-нуклеофилни, както и способността за свободно радикално взаимодействие. Особено внимание ще бъде отделено на особеностите на протичане на разглежданите реакции в биологичните системи.

Видовете реакции, характерни за различните класове въглеводороди, механизмът на тяхното протичане и биологичното значение на процесите са представени в таблица 10.

Органичните реакции могат да бъдат класифицирани в два основни типа.

Хемолитични реакции. Тези реакции протичат по радикален механизъм. Ще ги разгледаме по-подробно в следващата глава. Кинетиката и механизмът на реакциите от този тип бяха обсъдени в гл. 9.

Хетеролитични реакции. Тези реакции са по същество йонни реакции. Те от своя страна могат да бъдат разделени на реакции на заместване, добавяне и елиминиране.

Реакции на заместване

При тези реакции атом или група от атоми се заменя с друг атом или група. Като пример за реакции от този тип даваме хидролизата на хлорометан с образуването на метанол:

Хидроксилният йон е нуклеофил. Следователно въпросното заместване се нарича нуклеофилно заместване. Означава се със символа SN. Заменената частица (в този случай хлорен йон) се нарича напускаща група.

Ако означим нуклеофила със символа и напускащата група със символа, тогава можем да напишем обобщеното уравнение за реакцията на нуклеофилно заместване при наситен въглероден атом в алкиловата група R, както следва:

Проучване на скоростта на реакции от този тип показва, че реакциите могат да бъдат разделени на

Реакции от типа За някои реакции от типа SN кинетичното уравнение за скоростта на реакцията (виж раздел 9.1) има формата

По този начин, тези реакции са от първи порядък в субстрата, но от нулев порядък в реагента.Кинетиката, характерна за реакция от първи порядък, е надеждна индикация, че ограничаващият скоростта етап на реакцията е едномолекулен процес. Следователно, реакциите от този тип са обозначени със символа.

Реакцията има нулев порядък по отношение на реагента, тъй като скоростта й не зависи от концентрацията на реагента, следователно можем да напишем:

Тъй като нуклеофилът не участва в ограничаващия скоростта етап на реакцията, механизмът на такава реакция трябва да включва поне два етапа. Предложен е следният механизъм за такива реакции:

Първият етап е йонизация с образуване на карбокатион.Този етап е ограничаващ (бавен).

Пример за този тип реакция е алкалната хидролиза на третични алкилхалогениди. Например

В разглеждания случай скоростта на реакцията се определя от уравнението

Реакции от типа За някои реакции на нуклеофилно заместване SN скоростното уравнение има формата

В този случай реакцията е от първи ред в нуклеофила и от първи ред в . Като цяло това е реакция от втори ред. Това е достатъчно основание да се смята, че ограничаващият скоростта етап на тази реакция е бимолекулен процес. Следователно, реакцията от разглеждания тип се обозначава със символа. Тъй като и нуклеофилът, и субстратът едновременно участват в ограничаващия скоростта етап на реакцията, можем да мислим, че тази реакция протича в един етап през преходно състояние (виж раздел 9.2):

Хидролизата на първичните алкилхалогениди в алкална среда протича по механизма

Тази реакция има следното кинетично уравнение:

Досега разглеждахме нуклеофилното заместване само при наситения въглероден атом. Нуклеофилно заместване е възможно и при ненаситен въглероден атом:

Реакциите от този тип се наричат нуклеофилно ацилно заместване.

Електрофилно заместване. Реакциите на електрофилно заместване могат да възникнат и при бензенови пръстени. При този тип заместване бензеновият пръстен доставя на електрофила два от неговите делокализирани -електрона. В този случай се образува междинно съединение - нестабилен комплекс от електрофил и напускаща група. За схематично представяне на такива комплекси се използва празен кръг, показващ загубата на два -електрона:

Пример за реакции на електрофилно заместване е нитрирането на бензен:

Нитрирането на бензен се извършва в инсталация с обратен хладник при температура от 55 до 60 ° C, като се използва нитруваща смес. Тази смес съдържа равни количества концентрирана азотна и сярна киселина. Реакцията между тези киселини води до образуването на нитроилов катион

Реакции на присъединяване

При реакции от този тип към ненаситен въглероден атом се добавя електрофил или нуклеофил. Тук ще разгледаме по един пример за електрофилно присъединяване и нуклеофилно присъединяване.

Пример за електрофилно присъединяване е реакцията между бромоводород и алкен. За получаване на бромоводород в лабораторията може да се използва реакция между концентрирана сярна киселина и натриев бромид (вижте раздел 16.2). Молекулите на бромоводорода са полярни, тъй като бромният атом има отрицателен индуктивен ефект върху водорода. Следователно молекулата на бромоводорода има свойствата на силна киселина. Според съвременните възгледи реакцията на бромоводород с алкени протича на два етапа. В първия етап положително зареден водороден атом атакува двойната връзка, която действа като източник на електрони. В резултат на това се образуват активиран комплекс и бромиден йон:

След това бромидният йон атакува този комплекс, което води до образуването на алкилбромид:

Пример за нуклеофилно добавяне е добавянето на циановодород към който и да е алдехид или кетон. Първо, алдехидът или кетонът се третира с воден разтвор на натриев цианид.След това се добавя излишно количество от всяка минерална киселина, което води до образуването на циановодород HCN. Цианидният йон е нуклеофил. Той атакува положително заредения въглероден атом на карбонилната група на алдехида или кетона. Положителният заряд и полярността на карбонилната група се дължи на мезомерния ефект, който беше описан по-горе. Реакцията може да бъде представена чрез следната диаграма:

Елиминационни реакции

Тези реакции са обратни на реакциите на присъединяване. Те водят до отстраняване на всякакви атоми или групи от атоми от два въглеродни атома, свързани един с друг чрез проста ковалентна връзка, което води до образуването на множествена връзка между тях.

Пример за такава реакция е елиминирането на водород и халоген от алкил халиди:

За да се осъществи тази реакция, алкилхалидът се третира с калиев хидроксид в алкохол при температура 60 °C.

Трябва да се отбележи, че третирането на алкил халид с хидроксид също води до нуклеофилно заместване (виж по-горе). В резултат на това протичат едновременно две конкуриращи се реакции на заместване и елиминиране, което води до образуването на смес от продукти на заместване и елиминиране. Коя от тези реакции ще бъде преобладаваща зависи от редица фактори, включително средата, в която се извършва реакцията. Нуклеофилно заместване на алкилхалогениди се извършва в присъствието на вода. Обратно, реакциите на елиминиране се извършват в отсъствието на вода и при по-високи температури.

Така че нека го кажем отново!

1. По време на хемолитично разцепване на връзка два споделени електрона се разпределят равномерно между атомите.

2. По време на хетеролитичното разцепване на връзката два споделени електрона се разпределят неравномерно между атомите.

3. Карбанионът е йон, съдържащ въглероден атом с отрицателен заряд.

4. Карбокатионът е йон, съдържащ въглероден атом с положителен заряд.

5. Ефектите на разтворителя могат да имат значително влияние върху химичните процеси и техните равновесни константи.

6. Ефектът на химическата среда на функционална група в рамките на една молекула върху реактивността на тази функционална група се нарича структурен ефект.

7. Електронните ефекти и пространствените ефекти се наричат заедно структурни ефекти.

8. Двата най-важни електронни ефекта са индуктивният ефект и мезомерният (резонансен) ефект.

9. Индуктивният ефект е изместването на електронната плътност от един атом към друг, което води до поляризация на връзката между двата атома. Този ефект може да бъде положителен или отрицателен.

10. Молекулните частици с множество връзки могат да съществуват под формата на резонансни хибриди между две или повече резонансни структури.

11. Мезомерният (резонансен) ефект се състои в стабилизирането на резонансните хибриди поради делокализацията на -електрони.

12. Стерично затруднение може да възникне, когато обемисти групи в молекула механично възпрепятстват реакцията.

13. Нуклеофилът е частица, която атакува въглероден атом, доставяйки му неговата електронна двойка. Нуклеофилът е база на Люис.

14. Електрофилът е частица, която атакува въглероден атом, приемайки неговата електронна двойка. Нуклеофилът е киселина на Луис.

15. Хемолитичните реакции са радикални реакции.

16. Хетеролитичните реакции са главно йонни реакции.

17. Заместването на всяка група в молекула с нуклеофилен реагент се нарича нуклеофилно заместване. Групата, която се заменя в този случай се нарича напускаща група.

18. Електрофилното заместване на бензенов пръстен включва даряването на два делокализирани електрона към някакъв електрофил.

19. При реакции на електрофилно присъединяване към ненаситен въглероден атом се добавя електрофил.

20. Добавянето на циановодород към алдехиди или кетони е пример за нуклеофилно присъединяване.

21. При реакции на елиминиране (елиминиране) някои атоми или групи от атоми се отделят от два въглеродни атома, свързани един с друг чрез проста ковалентна връзка. В резултат на това се образува множествена връзка между тези въглеродни атоми.

Тема на урока: Видове химични реакции в органичната химия.

Тип урок: урок за изучаване и първоначално консолидиране на нов материал.

Цели на урока: създават условия за формиране на знания за особеностите на протичането на химичните реакции с участието на органични вещества, когато се запознават с тяхната класификация и консолидират способността да пишат реакционни уравнения.

Цели на урока:

Образователни: изучават видовете реакции в органичната химия въз основа на знанията на учениците за видовете реакции в неорганичната химия и сравнението им с видовете реакции в органичната химия.

Развитие: насърчаване на развитието на логическо мислене и интелектуални умения (анализ, сравнение, установяване на причинно-следствени връзки).

Образователни: продължете да създавате култура на умствен труд; комуникационни умения: изслушвайте мненията на други хора, доказвайте своята гледна точка, намирайте компромиси.

Методи на обучение:словесно (разказ, обяснение, представяне на проблем); нагледно (мултимедийно нагледно помагало); евристични (писмени и устни упражнения, решаване на задачи, тестови задачи).

Средства за обучение:осъществяване на вътрешно- и междупредметни връзки, мултимедийно нагледно средство (презентация), символна и графична таблица.

Технологии: елементи на педагогиката на сътрудничеството, обучение, ориентирано към ученика (компетентностно ориентирано обучение, хуманно-личностна технология, индивидуален и диференциран подход), информационни и комуникационни технологии, здравословни образователни технологии (организационна и педагогическа технология).

Кратко описание на хода на урока.

I. Организационен етап: взаимни поздрави между учител и ученици; проверка на готовността на учениците за урока; организация на вниманието и настроението за урока.

Проверка на изпълнението на домашните.Въпроси за проверка: 1. Допълнете изреченията: а) Изомери са... б) Функционална група е... 2. Разпределете посочените формули на веществата в класове (формулите са предложени на карти) и назовете класовете на съединенията към които принадлежат. 3. Направете възможни съкратени структурни формули на изомери, съответстващи на молекулни формули (например: C 6 H 14, C 3 H 6 O)

Съобщаване на темата и целите на изучаването на нов материал; показвайки неговото практическо значение.

II. Учене на нов материал:

Актуализиране на знанията.(Разказът на учителя се основава на слайд диаграми, които учениците прехвърлят в своите тетрадки като справочна бележка)

Химичните реакции са основният обект на науката химия. (Слайд 2)

В процеса на химични реакции се случва превръщането на едни вещества в други.

Реагент 1 + Реагент 2 = Продукти (неорганична химия)

Субстрат + атакуващ реагент = продукти (органична химия)

При много органични реакции не всички молекули претърпяват промени, а техните реакционни части (функционални групи, техните отделни атоми и т.н.), които се наричат реакционни центрове. Субстратът е веществото, в което старата връзка се разкъсва при въглеродния атом и се образува нова връзка, а съединението, действащо върху него или неговата реакционна частица, се нарича реагент.

Неорганичните реакции се класифицират по няколко критерия: по броя и състава на изходните вещества и продукти (съединения, разлагане, заместване, обмен), по термичен ефект (екзо- и ендотермичен), по промени в степента на окисление на атомите, по обратимост на процеса, по фази (хомо- и хетерогенни), според използването на катализатор (каталитични и некаталитични). (Слайдове 3,4)

Резултатът от етапа на урока е, че учениците изпълняват задача (слайд 5), която им позволява да тестват уменията си за писане на уравнения на химични реакции, подреждане на стехиометрични коефициенти и класифициране на неорганични реакции. (Предлагат се задачи на различни нива)

(Упражнение за „мозъчна” гимнастика за развитие на когнитивните и умствени процеси – „Бухал”: подобрява зрителната памет, вниманието и облекчава напрежението, възникващо при продължително седене.)Хванете лявото рамо с дясната си ръка и го стиснайте, завъртете се наляво, така че да гледате зад себе си, дишайте дълбоко и завъртете рамене назад. Сега погледнете през другото си рамо, спуснете брадичката си към гърдите и дишайте дълбоко, позволявайки на мускулите ви да се отпуснат.

Представяне на нов материал.(По време на представянето на материала учениците правят бележки в тетрадките, върху които учителят се фокусира - информация от слайдовете)

Реакциите, включващи органични съединения, се подчиняват на същите закони (закона за запазване на масата и енергията, закона за масовото действие, закона на Хес и др.) И показват същите модели (стехиометрични, енергийни, кинетични) като реакциите на неорганичните вещества. (Слайд 6)

Органичните реакции обикновено се класифицират според механизмите на тяхното протичане, посоката и крайните продукти на реакцията. (Слайд 7)

Методът на разкъсване на ковалентните връзки определя вида на механизма на реакцията. Реакционният механизъм се разбира като последователност от етапи на реакцията, посочващи междинните частици, образувани на всеки от тези етапи. (Механизмът на реакцията описва нейния път, т.е. последователността от елементарни актове на взаимодействие на реагентите, през които тя протича.)

В органичната химия има два основни типа реакционни механизми: радикални (хомолитични) и йонни (хетеролитични). (Слайд 8)

При хомолитичното разцепване двойката електрони, образуващи връзката, се разделя по такъв начин, че всяка от получените частици получава един електрон. В резултат на хомолитичното разцепване се образуват свободни радикали:

X:Y → X . + . Y

Неутрален атом или частица с несдвоен електрон се нарича свободен радикал.

В резултат на разцепване на хетеролитична връзка се получават заредени частици: нуклеофилни и електрофилни.

X:Y → X + + :Y -

Нуклеофилна частица (нуклеофил) е частица, която има двойка електрони във външното електронно ниво. Благодарение на двойка електрони, нуклеофилът е в състояние да образува нова ковалентна връзка.

Електрофилна частица (електрофил) е частица, която има свободна орбитала на външно електронно ниво. Електрофилът представя незапълнени, свободни орбитали за образуване на ковалентна връзка, дължаща се на електроните на частицата, с която взаимодейства.

Радикалните реакции имат характерен верижен механизъм, който включва три етапа: нуклеация (инициация), развитие (растеж) и прекъсване на веригата. (Слайд 9)

Йонните реакции протичат без прекъсване на електронните двойки, които образуват химични връзки: и двата електрона се придвижват към орбиталата на един от атомите на реакционния продукт, за да образуват анион. (Слайд 10) Хетеролитичното разлагане на ковалентна полярна връзка води до образуването на нуклеофили (аниони) и електрофили (катиони). В зависимост от естеството на атакуващия реагент реакциите могат да бъдат нуклеофилни или електрофилни.

Според посоката и крайния резултат от химичната трансформация органичните реакции се разделят на следните видове: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране), пренареждане (изомеризация), окисление и редукция. (Слайд 11)

Заместването се отнася до заместването на атом или група от атоми с друг атом или група от атоми. Реакцията на заместване произвежда два различни продукта.

R-CH 2 X + Y→ R-CH 2 Y + X

Реакцията на добавяне се разбира като въвеждане на атом или група атоми в молекулата на ненаситено съединение, което е придружено от разрушаване на π връзки в това съединение. По време на взаимодействието двойните връзки се превръщат в единични връзки, а тройните връзки в двойни или единични връзки.

R-CH=CH2 + XY→ RCHX-CH2Y

Проблем: Какъв тип реакция можем да класифицираме като реакция на полимеризация? Докажете, че принадлежи към определен тип реакция и дайте пример.

Реакциите на добавяне също включват реакции на полимеризация (например: производство на полиетилен от етилен).

n(CH2=CH2) → (-CH2-CH2-) n

Реакциите на елиминиране или елиминиране са реакции, по време на които атомите или техните групи се елиминират от органична молекула, за да образуват множествена връзка.

R-CHX-CH2Y→ R-CH=CH2 + XY

Реакции на пренареждане (изомеризация). При този тип реакция се извършва пренареждане на атомите и техните групи в молекулата.

Реакциите на поликондензация принадлежат към реакциите на заместване, но често се разграничават като специален тип органични реакции, които имат специфичност и голямо практическо значение.

Окислително-редукционните реакции са придружени от промяна в степента на окисление на въглеродния атом в съединения, където въглеродният атом е реакционен център.

Окисляването е реакция, при която под въздействието на окислителен реагент веществото се свързва с кислород (или друг електроотрицателен елемент, като халоген) или губи водород (под формата на вода или молекулярен водород). Действието на окислителния реагент (окисление) се обозначава в реакционната схема със символа [O].

[O]

CH 3 CHO → CH 3 COOH

Редукцията е обратната реакция на окислението. Под действието на редуциращ реагент съединението получава водородни атоми или губи кислородни атоми: действието на редуциращ реагент (редукция) се обозначава със символа [H].

[H]

CH 3 COCH 3 → CH 3 CH(OH)CH 3

Хидрогенирането е реакция, която е частен случай на редукция. Водородът се добавя към множествената връзка или ароматния пръстен в присъствието на катализатор.

За консолидиране на изучения материал учениците изпълняват тестова задача: слайдове 12,13.

III. Домашна работа: § 8 (упражнение 2), 9

IV. Обобщаване

Заключения: (Слайд 14)

Органичните реакции се подчиняват на общите закони (закона за запазване на масата и енергията) и общите закони на тяхното протичане (енергийни, кинетични - разкриващи влиянието на различни фактори върху скоростта на реакцията).

Те имат общи характеристики за всички реакции, но имат и свои характерни особености.

Според механизма на реакцията реакциите се разделят на хомолитични (свободнорадикални) и хетеролитични (електрофилно-нуклеофилни).

Според посоката и крайния резултат на химичната трансформация се разграничават реакциите: заместване, присъединяване, елиминиране (елиминиране), пренареждане (изомеризация), поликондензация, окисление и редукция.

Използвани книги:UMK: O.S. Габриелян и др.Химия 10 M. Bustard 2013г

Преглед:

За да използвате визуализации на презентации, създайте акаунт в Google и влезте в него: https://accounts.google.com

Надписи на слайдове:

Видове химични реакции в органичната химия.

Химическата реакция е превръщането на едно вещество в друго. Получените в резултат на реакцията вещества се различават от изходните вещества по състав, структура и свойства. Реагент 1 + Реагент 2 = Субстратни продукти + Нападател = Реактивни продукти

Признаци за класификация на химичните реакции в неорганичната химия по броя и състава на изходните вещества и продукти чрез топлинен ефект чрез промяна на степента на окисление на атомите чрез обратимост на процеса по фаза чрез използване на катализатор

Класификация според броя и състава на изходните и получените вещества: Реакции на съединение: A + B = AB Zn + Cl 2 = ZnCl 2 CaO + CO 2 = CaCO 3 Реакции на разлагане: AB = A + B 2H 2 O = 2H 2 + O 2 Cu (OH) 2 = CuO + H 2 O Реакции на заместване: AB + C = A + CB CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4 Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3 Реакции на обмен: AB + CD = AD + CB CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O NaOH + HCl = NaCl + H 2 O

Дадени са реакционни схеми: 1. Меден(II) хидроксид → меден(II) оксид + вода 2. Бариев хлорид + натриев сулфат → … 3. Солна киселина + цинк → цинков хлорид + водород 4. Фосфорен(V) оксид + вода → … Ниво I: Посочете видовете реакции, запишете едно от уравненията (по избор). II ниво: Посочете видовете реакции, запишете едно от уравненията, в които не са посочени продуктите (по избор). Ниво III: Посочете видовете реакции и запишете всички уравнения.

Реакциите, включващи органични съединения, се подчиняват на същите закони (закона за запазване на масата и енергията, закона за масовото действие, закона на Хес и др.) и показват същите модели (стехиометрични, енергийни, кинематични) като неорганичните реакции.

Органичните реакции обикновено се класифицират според техните механизми.Реакционният механизъм се разбира като последователност от отделни етапи на реакция, като се посочват междинните частици, образувани на всеки от тези етапи. според посоката и крайните продукти на реакцията - добавяне; - разцепване (елиминиране); - замествания; - пренареждане (изомеризация); - окисление; - възстановяване.

Методът на разкъсване на ковалентната връзка определя вида на реакционния механизъм: Радикален (хомолитичен) X:Y → X. + . Y R . (X . , . Y) – радикали (свободни атоми или частици с несдвоени електрони, нестабилни и способни да претърпят химични трансформации) Йонни (хетеролитични) X:Y → X + + :Y - X + - електрофилен реагент (електрофил: обичащ електрони ):Y - - нуклеофилен реагент (нуклеофил: протонолюбив)

Радикалните реакции имат верижен механизъм, включващ етапи: иницииране, развитие и прекъсване на веригата. Зараждане на веригата (иницииране) Cl 2 → Cl. +Cl. Растеж (развитие) на веригата CH 4 + Cl. → CH 3. + H Cl CH3. + Cl 2 → CH 3 -Cl + Cl. Отворена верига CH 3. +Cl. → CH 3 Cl CH 3 . + CH3. → CH 3 -CH 3 Cl. +Cl. →Cl2

Йонните реакции протичат без прекъсване на електронните двойки, които образуват химични връзки: и двата електрона се придвижват към орбиталата на един от атомите на реакционния продукт, за да образуват анион. Хетеролитното разлагане на ковалентна полярна връзка води до образуването на нуклеофили (аниони) и електрофили (катиони). CH 3 -Br + Na + OH - → CH 3 -OH + Na + Br - реакционни продукти на субстратния реагент (нуклеофил) C 6 H 5 -H + HO: NO 2 → C 6 H 5 -NO 2 + H-OH субстрат реактивни реакционни продукти (електрофил)

Класификация по посока и краен резултат Реакции на заместване A-B + C → A-C + B Реакции на добавяне C=C + A-B → A-C-C-B Реакции на елиминиране A-C-C-B → C =C + A-B Реакции на пренареждане (изомеризация) X-A-B → A-B-X Реакциите на окисление и редукция са придружени от промяна в степента на окисление на въглеродния атом в съединения, където въглеродният атом е реакционният център. Проблем: Какъв тип реакция е реакция на полимеризация? Докажете, че принадлежи към определен тип реакция и дайте пример.

Тест. 1. Съвпадение: Раздел от химията Тип реакция Неорганична а) заместване б) обмен Органични в) съединения г) разлагане д) елиминиране е) изомеризация ж) добавяне 2. Съвпадение: Реакционна схема Тип реакция AB + C → AB + C a ) заместване ABC → AB + C b) добавяне на ABC → ACB c) елиминиране на AB + C → AC + B d) изомеризация

3. Бутанът реагира с вещество, чиято формула е: 1) H 2 O 2) C 3 H 8 3) Cl 2 4) HCl 4. Субстратът в предложените реакционни схеми е веществото CH 3 -COOH (A) + C 2 H 5 -OH (B) → CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O CH 3 -CH 2 -OH (A) + H -Br ( B) → CH 3 -CH 2 -Br + H 2 O CH 3 -CH 2 -Cl (A) + Na-OH (B) → CH 2 =CH 2 + NaCl + H 2 O 5. Лявото страна на уравнението C 3 H 4 + 5O 2 → ... съответства на дясната страна: → C 3 H 6 + H 2 O → C 2 H 4 + H 2 O → 3CO 2 + 4H 2 O → 3CO 2 + 2H 2 O 6. Обемът на кислорода, който ще бъде необходим за пълното изгаряне на 5 l метан, равен на 1) 1 l 2) 5 l 3) 10 l 4) 15 l

Изводи Органичните реакции се подчиняват на общи закони и общи модели на тяхното протичане. Те имат общи характеристики за всички реакции, но имат и свои характерни особености. Според механизма на реакцията реакциите се делят на свободнорадикални и йонни. Според посоката и крайния резултат на химичната трансформация: заместване, присъединяване, окисление и редукция, изомеризация, елиминиране, поликондензация и др.

Реакциите на органичните вещества могат формално да бъдат разделени на четири основни типа: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране) и пренареждане (изомеризация). Очевидно е, че цялото разнообразие от реакции на органични съединения не може да бъде сведено до предложената класификация (например реакции на горене). Въпреки това, такава класификация ще помогне да се установят аналогии с реакциите, които се случват между неорганични вещества, които вече са ви познати.

Обикновено основното органично съединение, участващо в реакцията, се нарича субстрат, а другият компонент на реакцията обикновено се счита за реагент.

Реакции на заместване

Реакции на заместване- това са реакции, които водят до заместване на един атом или група от атоми в изходната молекула (субстрат) с други атоми или групи от атоми.

Реакциите на заместване включват наситени и ароматни съединения като алкани, циклоалкани или арени. Нека дадем примери за такива реакции.

Под въздействието на светлината водородните атоми в молекулата на метана могат да бъдат заменени с халогенни атоми, например с хлорни атоми:

Друг пример за заместване на водород с халоген е превръщането на бензен в бромобензен:

Уравнението за тази реакция може да бъде написано по различен начин:

В резултат на реакциите заместванията в органичните вещества се образуват не прости и сложни вещества, както в неорганичната химия, и две сложни вещества.

Реакции на присъединяване

Реакции на присъединяване- това са реакции, в резултат на които две или повече молекули на реагиращи вещества се обединяват в една.

Ненаситени съединения като алкени или алкини претърпяват реакции на присъединяване. В зависимост от това коя молекула действа като реагент, се разграничават реакции на хидрогениране (или редукция), халогениране, хидрохалогениране, хидратиране и други реакции на присъединяване. Всеки от тях изисква определени условия.

1.Хидрогениране- реакция на добавяне на водородна молекула чрез множествена връзка:

2. Хидрохалогениране- реакция на добавяне на халогеноводород (хидрохлориране):

3. Халогениране- реакция на присъединяване на халоген:

4.Полимеризация- специален тип реакция на присъединяване, при която молекули на вещество с малко молекулно тегло се свързват помежду си, за да образуват молекули на вещество с много високо молекулно тегло - макромолекули.

Реакциите на полимеризация са процеси на комбиниране на много молекули от вещество с ниско молекулно тегло (мономер) в големи молекули (макромолекули) на полимер.

Ковалентната връзка, която е най-характерна за органичните съединения, се образува при припокриване на атомни орбитали и образуване на споделени електронни двойки. В резултат на това се образува обща за двата атома орбитала, в която се намира обща електронна двойка. Когато една връзка е прекъсната, съдбата на тези споделени електрони може да бъде различна.

Видове реактивни частици

Орбитала с несдвоен електрон, принадлежаща на един атом, може да се припокрива с орбитала на друг атом, който също съдържа несдвоен електрон. В този случай се образува ковалентна връзка съгласно обменния механизъм:

Обменният механизъм за образуване на ковалентна връзка се осъществява, ако се образува обща електронна двойка от несдвоени електрони, принадлежащи на различни атоми.

Процесът, противоположен на образуването на ковалентна връзка чрез обменния механизъм, е разцепването на връзката, при което един електрон се губи за всеки атом (). В резултат на това се образуват две незаредени частици, които имат несдвоени електрони:

Такива частици се наричат свободни радикали.

Свободни радикали- атоми или групи от атоми, които имат несдвоени електрони.

Свободни радикални реакции- това са реакции, протичащи под въздействието и с участието на свободните радикали.

В курса на неорганичната химия това са реакциите на водород с кислород, халогени и реакции на горене. Реакциите от този тип се характеризират с висока скорост и отделяне на големи количества топлина.

Ковалентна връзка може да се образува и чрез донорно-акцепторен механизъм. Една от орбиталите на атом (или анион), който има несподелена двойка електрони, се припокрива с незаетата орбитала на друг атом (или катион), който има незаета орбитала, и се образува ковалентна връзка, например:

Разкъсването на ковалентна връзка води до образуването на положително и отрицателно заредени частици (); тъй като в този случай и двата електрона от обща електронна двойка остават с един от атомите, другият атом има незапълнена орбитала:

Нека разгледаме електролитната дисоциация на киселини:

Може лесно да се предположи, че частица, която има несподелена електронна двойка R: -, т.е. отрицателно зареден йон, ще бъде привлечена от положително заредени атоми или от атоми, върху които има поне частичен или ефективен положителен заряд.
Частици с несподелени двойки електрони се наричат нуклеофилни агенти (ядро- „ядро“, положително заредена част от атом), т.е. „приятели“ на ядрото, положителен заряд.

Нуклеофили(не) - аниони или молекули, които имат несподелена електронна двойка, които взаимодействат с части от молекулите, които имат ефективен положителен заряд.

Примери за нуклеофили: Cl - (хлориден йон), OH - (хидроксиден анион), CH 3 O - (метоксиден анион), CH 3 COO - (ацетатен анион).

Частиците, които имат незапълнена орбитала, напротив, ще се стремят да я запълнят и следователно ще бъдат привлечени от части от молекулите, които имат повишена електронна плътност, отрицателен заряд и несподелена електронна двойка. Те са електрофили, „приятели” на електрона, отрицателен заряд или частици с повишена електронна плътност.

Електрофили- катиони или молекули, които имат незапълнена електронна орбитала, стремейки се да я запълнят с електрони, тъй като това води до по-благоприятна електронна конфигурация на атома.

Нито една частица не е електрофил с незапълнена орбитала. Например, катионите на алкални метали имат конфигурация на инертни газове и не са склонни да придобиват електрони, тъй като имат ниска електронен афинитет.
От това можем да заключим, че въпреки наличието на незапълнена орбитала, такива частици няма да бъдат електрофили.

Основни механизми на реакция

Идентифицирани са три основни типа реагиращи частици - свободни радикали, електрофили, нуклеофили - и три съответни типа реакционни механизми:

свободен радикал;
електрофилен;
нулевофилен.

В допълнение към класифицирането на реакциите според вида на реагиращите частици, в органичната химия се разграничават четири вида реакции според принципа на промяна на състава на молекулите: добавяне, заместване, отделяне или елиминиране (от англ. да се елиминирам- премахване, отцепване) и пренареждане. Тъй като добавянето и заместването могат да възникнат под влиянието и на трите вида реактивни видове, могат да бъдат разграничени няколко основенмеханизми на реакциите.

Освен това ще разгледаме реакциите на елиминиране, които се случват под въздействието на нуклеофилни частици - бази.
6. Елиминиране:

Отличителна черта на алкените (ненаситени въглеводороди) е способността им да претърпяват реакции на присъединяване. Повечето от тези реакции протичат по механизма на електрофилно присъединяване.

Хидрохалогениране (добавяне на халоген водород):

Когато халогеноводород се добави към алкен водородът се добавя към по-хидрогенирания въглероден атом, т.е. атомът, при който има повече атоми водород, а халоген - към по-малко хидрогенирани.