Органическая химия типы химических реакций. Типы органических реакций

При протекании химических реакций происходит разрыв одних и возникновение других связей. Химические реакции условно делят на органические и неорганические. Органическими реакциям принято считать реакции, в которых, по крайней мере, одно из реагирующих веществ является органическим соединением, изменяющим свою молекулярную структуру в процессе реакции. Отличием органических реакций от неорганических является то, что, как правило, в них участвуют молекулы. Скорость таких реакции низка, а выход продукта обычно составляет всего лишь 50-80 %. Для повышения скорости реакции применяют катализаторы, повышают температуру или давление. Далее рассмотрим типы химических реакций в органической химии.

Классификация по характеру химических превращений

Реакции замещения
Реакции присоединения
Реакция изомеризации и перегруппировка
Реакции окисления
Реакции разложения

Реакции замещения

В ходе реакций замещения один атом или группа атомов в начальной молекуле замещается на иные атомы или группы атомов, образуя новую молекулу. Как правило, такие реакции характерны для насыщенных и ароматических углеводородов, например:

Реакции присоединения

При протекании реакций присоединения из двух или более молекул веществ образуется одна молекула нового соединения. Такие реакции характерны для ненасыщенных соединений. Различают реакции гидрирования (восстановления), галогенирования, гидрогалогенирования, гидратации, полимеризации и т.п:

Гидрирование – присоединение молекулы водорода:

Реакция элиминирования (отщепления)

В результате реакций отщепления органические молекулы теряют атомы или группы атомов, и образуется новое вещество, содержащее одну или несколько кратных связей. К реакциям элиминирования относятся реакции дегидрирования , дегидратации , дегидрогалогенирования и т.п.:

Реакции изомеризации и перегруппировка

В ходе таких реакций происходит внутримолекулярная перестройка, т.е. переход атомов или групп атомов с одного участка молекулы в другое без изменения молекулярной формулы вещества, участвующего в реакции, например:

Реакции окисления

В результате воздействия окисляющего реагента происходит повышение степени окисления углерода в органическом атоме, молекуле или ионе процесс за счет отдачи электронов, вследствие чего образуется новое соединение:

Реакции конденсации и поликонденсации

Заключаются во взаимодействии нескольких (двух и более) органических соединений с образованием новых С-С связей и низкомолекулярного соединения:

Поликонденсация – образование молекулы полимера из мономеров, содержащих функциональные группы с выделением низкомолекулярного соединения. В отличие от реакции полимеризации, в результате которых образуется полимер, имеющий состав, аналогичный мономеру, в результате реакций поликонденсации состав образованного полимера отличается от его мономера:

Реакции разложения

Это процесс расщепления сложного органического соединения на менее сложные или простые вещества:

С 18 H 38 → С 9 H 18 + С 9 H 20

Классификация химических реакций по механизмам

Протекание реакций с разрывом ковалентных связей в органических соединениях возможно по двум механизмам (т.е. пути, приводящему к разрыву старой связи и образованию новой) – гетеролитическому (ионному) и гомолитическому (радикальному).

Гетеролитический (ионный) механизм

В реакциях, протекающих по гетеролитическому механизму образуются промежуточные частицы ионного типа с заряженным атомом углерода. Частицы, несущие положительный заряд называются карбкатионы, отрицательный – карбанионы. При этом происходит не разрыв общей электронной пары, а ее переход к одному из атомов, с образованием иона:

Склонность к гетеролитическому разрыву проявляют сильно полярные, например Н–O, С–О и легко поляризуемые, например С–Вr, С–I связи.

Реакции, протекающие по гетеролитическому механизму делят на нуклеофильные и электрофильные реакции. Реагент, располагающий электронной парой для образования связи называют нуклеофильным или электронодонорным. Например, HO — ,RO — , Cl — , RCOO — , CN — , R — , NH 2 , H 2 O, NH 3 , C 2 H 5 OH, алкены, арены.

Реагент, имеющий незаполненную электронную оболочку и способные присоединить пару электронов в процессе образования новой связи.называют электрофильным реагентам относятся следующие катионы: Н + , R 3 C + , AlCl 3 , ZnCl 2 , SO 3 , BF 3 , R-Cl, R 2 C=O

Реакции нуклеофильного замещения

Характерны для алкил- и арилгалогенидов:

Реакции нуклеофильного присоединения

Реакции электрофильного замещения

Реакции электрофильного присоединения

Гомолитический (радикальный механизм)

В реакциях, протекающих по гомолитическому (радикальному) механизму на первой стадии происходит разрыв ковалентной связи с образованием радикалов. Далее образовавшийся свободный радикал выступает в качестве атакующего реагента. Разрыв связи по радикальному механизму свойственен для неполярных или малополярных ковалентных связей (С–С, N–N, С–Н).

Различают реакции радикального замещения и радикального присоединения

Реакции радикального замещения

Характерны для алканов

Реакции радикального присоединения

Характерны для алкенов и алкинов

Таким образом, мы рассмотрели основные типы химических реакций в органической химии

Категории , Конспект: «Типы химических реакций в органической химии»

Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации). Очевидно, что все многообразие реакций органических соединений невозможно свести в рамки предложенной классификации (например, реакции горения). Однако такая классификация поможет установить аналогии с уже знакомыми вам из курса неорганической химии классификациями реакций, протекающих между неорганическими веществами.

Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом, а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент.

Реакции замещения

Реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов, называются реакциями замещения.

В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие, как, например, алканы, циклоалканы или арены.

Приведем примеры таких реакций.

Под действием света атомы водорода в молекуле метана способны замещаться на атомы галогена, например на атомы хлора:

СН4 + Сl2→ СН3Сl + НСl

Другим примером замещения водорода на галоген является превращение бензола в бромбензол:

При этой форме записи реагенты, катализатор, условия проведения реакции записывают над стрелкой, а неорганические продукты реакции - под ней.

Реакции присоединения

Реакции, в результате которых две или более молекул реагирующих веществ соединяются в одну, называют реакциями присоединения.

В реакции присоединения вступают ненасыщенные соединения, такие, как, например, алкены или алкины. В зависимости от того, какая молекула выступает в качестве реагента, различают гидрирование (или восстановление), галогенирование, гидрогалогенирование, гидратацию и другие реакции присоединения. Каждая из них требует определенных условий.

1 . Гидрирование - реакция присоединения молекулы водорода по кратной связи:

СН3-СН = СН2 + Н2 → СН3-СН2-СН3

пропен пропан

2 . Гидрогалогенирование - реакция присоединения гало-геноводорода (например, гидрохлорирование):

СН2=СН2 + НСl → СН3-СН2-Сl

этен хлорэтан

3 . Галогенирование - реакция присоединения галогена (например, хлорирование):

СН2=СН2 + Сl2 → СН2Сl-СН2Сl

этен 1,2-дихлорэтан

4 . Полимеризация - особый тип реакций присоединения, в ходе которых молекулы вещества с небольшой молекулярной массой соединяются друг с другом с образованием молекул вещества с очень высокой молекулярной массой - макромолекул.

Реакции полимеризации - это процессы соединения множества молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.

Примером реакции полимеризации может служить получение полиэтилена из этилена (этена) под действием ультрафиолетового излучения и радикального инициатора полимеризации R.

Типы химических реакций в органической химии

Реакции отщепления (элиминирования)

Реакции, в результате которых из молекулы исходного соединения образуются молекулы нескольких новых веществ, называют реакциями отщепления или элиминирования.

Примерами таких реакций может служить получение этилена из различных органических веществ.

Типы химических реакций в органической химии

Особое значение среди реакций отщепления имеет реакция термического расщепления углеводородов, на котором основан крекинг (англ. to crack - расщеплять) алканов - важнейший технологический процесс:

В большинстве случаев отщепление малой молекулы от молекулы исходного вещества приводит к образованию дополнительной п-связи между атомами. Реакции элиминирования протекают в определенных условиях и с определенными реагентами. Приведенные уравнения отражают лишь конечный результат этих превращений.

Реакции изомеризации

Реакции, в результате которых из молекул одного вещества образуются молекулы, других веществ того же качественного и количественного состава, т. е. с той же молекулярной формулой, называют реакциями изомеризации.

Примером такой реакции является изомеризация углеродного скелета алканов линейного строения в разветвленные, которая происходит на хлориде алюминия при высокой температуре:

Типы химических реакций в органической химии

1 . К какому типу реакций относится:

а) получение хлорметана из метана;

б) получение бромбензола из бензола;

в) получение хлорэтана из этилена;

г) получение этилена из этанола;

д) превращение бутана в изобутан;

е) дегидрирование этана;

ж) превращение бромэтана в этанол?

2 . Какие реакции характерны для: а) алканов; б) алкенов? Приведите примеры реакций.

3 . В чем особенности реакций изомеризации? Что их объединяет с реакциями получения аллотропных модификаций одного химического элемента? Приведите примеры.

4. В каких реакциях (присоединение, замещение, элиминирование, изомеризация) молекулярная масса исходного соединения:

а) увеличивается;

б) уменьшается;

в) не изменяется;

г) в зависимости от реагента увеличивается или уменьшается?

Органические соединения могут реагировать как между собой, так и с неорганическими веществами - неметаллами, металлами, кислотами, основаниями, солями, водой и др. Поэтому их реакции оказываются очень разнообразными и по природе реагирующих веществ, и по типу происходящих превращений. Естьмного именных реакций, названных в честь открывших их ученых.

Молекулу органического соединения, участвующую в реакции, называют субстратом.

Частицу неорганического вещества (молекулу, ион) в органической реакции называют реагентом.

Например:

Химическое превращение может охватить всю молекулу органического соединения. Из таких реакций наиболее широко известно горение, приводящее к превращению вещества в смесь оксидов. Они имеют большое значение в энергетике, а также при уничтожении отходов и токсичных веществ. С точки зрения как химической науки, так и практики особенно интересны реакции, ведущие к превращению одних органических веществ в другие. В молекуле всегда имеется один или несколько реакционноспособных участков, где происходит то или иное превращение.

Атом или группа атомов в молекуле, где непосредственно происходит химическое превращение, называется реакционным центром.

В многоэлементных веществах реакционными центрами являются функциональные группы и атомы углерода, с которыми они связаны. В непредельных углеводородах реакционный центр - атомы углерода, связанные кратной связью. В предельных углеводородах реакционным центром служат преимущественно вторичные и третичные атомы углерода.

В молекулах органических соединений часто имеется несколько реакционных центров, проявляющих разную активность. Поэтому, как правило, идет несколько параллельных реакций, дающих разные продукты. Реакция, протекающая с наибольшей скоростью, называется главной. Остальные реакции -побочные. В получаемой смеси в наибольшем количестве содержится продукт главной реакции, а продукты побочных реакций - это примеси. После проведения реакции почти всегда требуется очистка главного продукта от примесей органических веществ. Отметим, что в неорганической химии вещества обычно приходится очищать от примесей соединений других химических элементов.

Уже было отмечено, что органические реакции характеризуются относительно небольшими скоростями. Поэтому приходится широко использовать различные средства ускорения реакций - нагревание, облучение, катализ. Катализаторы имеют в органической химии важнейшее значение. Их роль не ограничивается огромной экономией времени при проведении химических процессов. Выбирая катализаторы, ускоряющие определенные типы реакций, можно целенаправленно осуществлять те или иные из параллельно протекающих реакций и получать заданные продукты. За время существования промышленности органических соединений открытие новых катализаторов коренным образом изменяло технологию. Например, этанол долгое время получали только сбраживанием крахмала, а затем перешли на его производство

присоединением воды к этилену. Для этого потребовалось найти хорошо действующий катализатор.

Реакции в органической химии классифицируют по характеру превращения субстрата:

а) реакции присоединения (символ А) - к органической молекуле присоединяется небольшая молекула (вода, галоген и др.);

б) реакции замещения (символ S) - в органической молекуле замешается атом (группа атомов) на другой атом или группу атомов;

в) реакции отщепления или элиминирования (символ Е) - органическая молекула теряет некоторые фрагменты, образующие, как правило, неорганические вещества;

г) крекинг - расщепление молекулы на две или несколько частей, также представляющие собой органические соединения;

д) разложение - превращение органического соединения в простые вещества и неорганические соединения;

е) изомеризация - превращение молекулы в другой изомер;

ж) полимеризация - образование высокомолекулярного соединения из одного или нескольких низкомолекулярных соединений;

з) поликонденсация - образование высокомолекулярного соединения с одновременным выделением вещества, состоящего из небольших молекул (вода, спирт).

В процессах превращения органических соединений рассматривают два вида разрыва химических связей.

Гомолитический разрыв связи. От электронной пары химической связи у каждого атома остается по одному электрону. Образующиеся частицы, имеющие неспаренные электроны, называются свободными радикалами. По составу такая частица может представлять собой молекулу или отдельный атом. Реакция называется радикальной (символ R):

Гетеролитический разрыв связи. В этом случае один атом сохраняет электронную пару и становится основанием. Частицу, содержащую этот атом, называют нуклеофилом. Другой атом, лишенный электронной пары, имеет свободную орбиталь и становится кислотой. Частицу, содержащую этот атом, называют электрофилом:

По такому типу особенно легко разрывается л-связь при сохранении

Например, некоторая частица А", притягивая л-электронную пару, сама образует связь с атомом углерода:

Это же взаимодействие изображают следующей схемой:

Если атом углерода в молекуле органического соединения принимает электронную пару, которую затем передает реагенту, то реакция называется электрофильной, а реагент - электрофилом.

Разновидности электрофильных реакций - присоединение А Е и замещение S E .

Следующий этап реакции - образование связи атома С + (у него свободная орбиталь) с другим атомом, имеющим электронную пару.

Если атом углерода в молекуле органического соединения теряет электронную пару, а потом принимает ее от реагента, то реакция называется нуклеофильной, а реагент - нуклеофилом.

Разновидности нуклеофильных реакций - присоединение Ад, и замещение S N .

Гетеролитический разрыв и образование химических связей фактически представляют собой единый согласованный процесс: постепенный разрыв имевшейся связи сопровождается образованием новой связи. В согласованном процессе энергия активации оказывается меньше.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. При сжигании 0,105 г органического вещества образовалось 0,154 г углекислого газа, 0,126 г воды и 43,29 мл азота (21 °С, 742 мм рт. ст.). Предложите одну из возможных структурных формул вещества.

2. В молекуле С 3 Н 7 Х общее число электронов составляет 60. Определите элемент X и напишите формулы возможных изомеров.

3. На 19,8 г соединения С 2 Н 4 Х 2 приходится 10 моль электронов. Определите элемент X и напишите формулы возможных изомеров.

4. Газ объемом 20 л при 22 "С и 101,7 кПа содержит 2,5 10 я атомов и имеет плотность 1,41 г/л. Сделайте выводы о природе этого газа.

5. Укажите радикал, имеющий два изомера: -С 2 Н 5 , -С 3 Н 7 , -СН 3 .

6. Укажите вещество, имеющее наиболее высокую температуру кипения: СН 3 ОН, С 3 Н 7 ОН, С 5 Н 11 ОН.

7. Напишите структурные формулы изомеров С 3 Н 4 .

8. Напишите формулу 2,3,4-триметит-4-этилгептена. Приведите структурные формулы двух изомеров этого вещества, содержащих один и два четвертичных атома углерода.

9. Напишите формулу 3,3-диметилпентана. Приведите формулу циклического углеводорода без кратных связей с таким же числом атомов углерода. Являются ли они изомерами?

10. Напишите формулу четырехэлементного органического соединения со структурой С 10 , в котором атомы дополнительных элементов находятся у 2 и 7 атомов углерода, а название содержит корень «гепта».

11. Назовите углеводород, имеющий углеродную структуру

12.Напишите структурную формулу соединения C 2 H X F X Cl X с разными заместителями у каждого из атомов углерода.

Углеводороды

Углеводороды относятся к числу важнейших веществ, определяющих уклад жизни современной цивилизации. Они служат источником энергии (энергоносителями) для наземного, воздушного и водного транспорта, для отопления жилищ. Это также сырье для производства сотен продуктов бытовой химии, упаковочных материалов и т. д. Начальным источником всего перечисленного являются нефть и природный газ. От наличия их запасов зависит благосостояние государств. Из-за нефти возникали международные кризисы.

В числе наиболее известных углеводородов - метан и пропан, использующиеся в бытовых плитах. Метан транспортируют по трубам, а пропан перевозят и хранят в баллонах красного цвета. Еще один углеводород ило-бутан, газообразный при нормальных условиях, можно видеть в жидком состоянии в прозрачных зажигалках. Продукты переработки нефти - бензин, керосин, дизельное топливо - представляют собой смеси углеводородов разного состава. Смесями более тяжелых углеводородов являются полужидкий вазелин и твердый парафин. К углеводородам относится и хорошо известное вещество, применяемое для защиты шерсти и меха от моли - нафталин. Главными разновидностями углеводородов с точки зрения состава и строения молекул являются предельные углеводороды - алканы, циклические предельные углеводороды - циклоалканы, непредельные углеводороды, т. е. содержащие кратные связи -алкены и

алкины, циклические сопряженные ароматические углеводороды - арены. Некоторые гомологические ряды углеводородов охарактеризованы в табл. 15.1.

Таблица 15.1. Гомологические ряды углеводородов

Алканы

В главе 14 уже приведены данные о строении, составе, изомерии, названиях и некоторых свойствах алканов. Напомним, что в молекулах алканов атомы углерода образуют тетраэдрически направленные связи с атомами водорода и соседними атомами углерода. В первом соединении этого ряда метане углерод связан только с водородом. В молекулах предельных углеводородов идет непрерывное внутреннее вращение концевых групп СН 3 и отдельных участков цепи, в результате чего возникают разные конформации (с. 429). Для алканов характерна изомерия углеродного скелета. Соединения с неразветвленными молекулами называют

нормальными, н-алканами, а с разветвленными - изо алканами. Данные о названиях и некоторых физических свойствах алканов приведены в табл. 15.2.

В виде индивидуальных веществ в большом количестве используются первые четыре члена ряда алканов - метан, этан, пропан и бутан. Другие индивидуальные алканы применяют в научных исследованиях. Огромное практическое значение имеют смеси алканов, содержащие обычно углеводороды и других гомологических рядов. К числу таких смесей относится бензин. Он характеризуется температурным интервалом выкипания 30-205 °С. Другие виды углеводородного топлива также характеризуются интервалами выкипания, так как по мере улетучивания из них легких углеводородов температура кипения повышается. Все алканы практически нерастворимы в воде.

Таблица 15.2. Названия и температуры кипения и плавления нормальных алканов

задание 15.1. Сгруппируйте алканы по признаку агрегатного состояния при 20 °С и нормальном атмосферном давлении (по данным табл. 15.2).

задание 15.2. Пентан имеет три изомера со следующими температурами кипения (°С):

Объясните понижение температур кипения в ряду этих изомеров.

Получение. Практически неограниченным источником любых алканов служит нефть, однако выделение из нее индивидуальных веществ представляет довольно сложную задачу. Обычные нефтепродукты представляют собой фракции, полученные при ректификации (дробной перегонке) нефти и состоящие из большого числа углеводородов.

Смесь алканов получается гидрированием угля при температуре -450 0 С и давлении 300 атм. Этим способом можно производить бензин, но он пока оказывается дороже, чем бензин из нефти. Метан образуется в смеси оксида углерода(П) и водорода на никелевом катализаторе:

В такой же смеси на катализаторах, содержащих кобальт, получается как смесь углеводородов, так и отдельные углеводороды. Это могут быть не только алканы, но и циклоалканы.

Есть лабораторные методы получения индивидуальных алканов. Карбиды некоторых металлов при гидролизе дают метан:

Галогеналканы реагируют со щелочным металлом, образуя углеводороды с удвоенным числом атомов углерода. Это реакция Вюрца. Она идет через гемолитический разрыв связи между углеродом и галогеном с образованием свободных радикалов:

задание 15.3. Напишите суммарное уравнение данной реакции.

пример 15.1. В смесь 2-бромопропана и 1-бромопропана внесли калий. Напишите уравнения возможных реакций.

РЕШЕНИЕ. Радикалы, образующиеся при реакциях бромалканов с калием, могут соединяться между собой в разных комбинациях, в результате чего в смеси получаются три углеводорода. Суммарные уравнения реакций:

Натриевые соли органических кислот при нагревании со щелочью теряют карбоксильную группу (декарбоксилируются) с образованием алкана:

При электролизе этих же солей происходит декарбоксилирование и соединение остающихся радикалов в одну молекулу:

Алканы образуются при гидрировании непредельных углеводородов и восстановлении соединений, содержащих функциональные группы:

Химические свойства. Предельные углеводороды представляют собой наименее активные органические вещества. Их первоначальное название парафины отражает слабое сродство (реакционную способность) по отношению к другим веществам. Они реагируют, как правило, не с обычными молекулами, а лишь со свободными радикалами. Поэтому и реакции алканов идут в условиях образования свободных радикалов: при высокой температуре или облучении. Алканы горят при смешении с кислородом или воздухом и играют важнейшую роль в качестве топлива.

задание 15.4. Теплота сгорания октана определена с особой точностью:

Сколько теплоты выделится при сгорании 1л смеси, состоящей поровну из н-октана и ило-октана (р = = 0,6972 Алканы реагируют с галогенами по радикальному механизму (S R). Реакция начинается с распада молекулы галогена на два атома, или, как часто говорят, на два свободных радикала:

Радикал отнимает атом водорода от алкана, например, от метана:

Новый молекулярный радикал метил Н 3 С- реагирует с молекулой хлора, образуя продукт замещения и одновременно новый радикал хлора:

Далее повторяются те же самые стадии этой цепной реакции. Каждый радикал может породить цепь превращений из сотен тысяч звеньев. Возможны и столкновения радикалов между собой, приводящие к обрыву цепей:

Суммарное уравнение цепной реакции:

задание 15.5. При уменьшении объема сосуда, в котором идет цепная реакция, число превращений на один радикал (длина цепей) уменьшается. Дайте этому объяснение.

Продукт реакции хлорометан относится к классу галогензамещенных углеводородов. В смеси по мере образования хлорометана начинается реакция замещения второго атома водорода на хлор, потом третьего и т. д. На третьей стадии образуется хорошо известное вещество хлороформ CHClg, применяемое в медицине для наркоза. Продукт полного замещения водорода на хлор в метане - тетрахлорид углерода СС1 4 - относят и к органическим, и к неорганическим веществам. Но, если строго придерживаться определения, это неорганическое соединение. Практически тетрахлорид углерода получают не из метана, а из сероуглерода.

При хлорировании гомологов метана более реакционноспособными оказываются вторичные и третичные атомы углерода. Из пропана получается смесь 1-хлоропропана и 2-хлоропропана с большей долей последнего. Замещение второго атома водорода на галоген идет преимущественно на том же атоме углерода:

Алканы реагируют при нагревании с разбавленной азотной кислотой и оксидом азота(IV), образуя нитроалканы. Нитрование также идет по радикальному механизму, и поэтому для его проведения не требуется концентрированная азотная кислота:

Алканы подвергаются различным превращениям при нагревании в присутствии специальных катализаторов. Нормальные алканы изомеризуются в цзо-алканы:

Промышленная изомеризация алканов для улучшения качества моторного топлива называется риформинг. Катализатором служит металлическая платина, нанесенная на оксид алюминия. Важное значение для переработки нефти имеет также крекинг, т. е. расщепление молекулы алкана на две части - алкан и алкен. Расщепление идет преимущественно посередине молекулы:

Катализаторами крекинга служат алюмосиликаты.

Алканы с шестью и более атомами углерода в цепи циклизуются на оксидных катализаторах (Сr 2 0 3 / /А1 2 0 3), образуя циклоалканы с шестичленным кольцом и арены:

Эту реакцию называют дегидроциклизацией.

Все большее практическое значение приобретает функционализация алканов, т. е. превращение их в соединения, содержащие функциональные группы (как правило, кислородные). Бутан окисляется кис-

лородом при участии специального катализатора, образуя уксусную кислоту:

Циклоалканы С n Н 2n с пятью и более углеродными атомами в кольце по химическим свойствам очень близки к нециклическим алканам. Для них характерны реакции замещения S R . Циклопропан С 3 Н 6 и циклобутан С 4 Н 8 имеют менее устойчивые молекулы, так как в них углы между связями С-С-С значительно отличаются от нормального тетраэдрического угла 109,5°, характерного для sр 3 -углерода. Это приводит к уменьшению энергии связи. При действии галогенов происходит разрыв циклов и присоединение на концах цепочки:

При действии водорода на циклобутан образуется нормальный бутан:

ЗАДАНИЕ 15.6. Можно ли из 1,5-дибромпентана получить циклопентан? Если вы считаете, что можно, то выберите подходящий реагент и напишите уравнение реакции.

Алкены

Углеводороды, содержащие водорода меньше, чем алканы, вследствие наличия в их молекулах кратных связей называют непредельными, а также ненасыщенными. Простейший гомологический ряд непредельных углеводородов - алкены С n Н 2n , имеющие одну двойную связь:

Две другие валентности атомов углерода используются для присоединения водорода и насыщенных углеводородных радикалов.

Первый член ряда алкенов этен (этилен) С 2 Н 4 . За ним идут пропен (пропилен) С 3 Н 6 , бутен (бутилен) С 4 Н 8 , пентен С 5 Н 10 и т. д. Особые названия имеют некоторые радикалы с двойной связью: винил СН 2 =СН-, аллил СН 2 =СН-СН 2 -.

Атомы углерода, связанные двойной связью, находятся в состоянии sр 2 -гибридизации. Гибридные орбитали образуют σ-связь между ними, а негибридная р-орбиталь - π-связь (рис. 15.1). Общая энергия двойной связи составляет 606 кДж/моль, причем на а-связь приходится около 347 кДж/моль, а на π-связь - 259 кДж/моль. Повышенная прочность двойной связи проявляется в уменьшении расстояния между атомами углерода до 133 пм по сравнению с 154 пм для одинарной связи С-С.

Несмотря на формальную прочность, именно двойная связь в алкенах оказывается главным реакционный центром. Электронная пара π -связи образует достаточно рассеянное облако, относительно удаленное от атомных ядер, вследствие чего оно подвижно и чувствительно к влиянию других атомов (с. 442). π -Облако смещается к одному из двух атомов углерода, которым

Рис. 15.1. Образование кратной связи между атомами углерода sp 2

оно принадлежит, под влиянием заместителей в молекуле алкена или под действием атакующей молекулы. Это приводит к высокой химической активности алкенов по сравнению с алканами. Смесь газообразных алканов не реагирует с бромной водой, но при наличии примеси алкенов происходит ее обесцвечивание. Эта проба используется для обнаружения алкенов.

У алкенов появляются дополнительные виды изомерии, отсутствующие у алканов: изомерия положения двойной связи и пространственная цис-транс-изомерия. Последний вид изомерии обусловлен особой симметрией π -связи. Она препятствует внутреннему вращению в молекуле и стабилизирует расположение четырех заместителей у атомов С=С в одной плоскости. Если имеются две пары разных заместителей, то при диагональном расположении заместителей каждой пары получается транс-изомер, а при смежном расположении - цис-изомер. У этена и пропена изомеров нет, а у бутена имеются оба вида изомеров:

задание 15.7. Все алкены имеют одинаковый элементный состав как по массе (85,71% углерода и 14,29% водорода), так и по отношению числа атомов n(С): n(Н) = = 1:2. Можно ли считать, что каждый алкен является изомером по отношению к другим алкенам?

задание 15.8. Возможны ли пространственные изомеры при наличии трех и четырех разных заместителей у sр 2 -атомов углерода?

задание 15.9. Нарисуйте структурные формулы изомеров пентена.

Получение. Нам уже известно, что алканы могут превращаться в непредельные соединения. Это проис-

ходит в результате отнятия водорода (дегидрирования) и крекинга. Дегидрирование бутана дает преимущественно бутен-2:

задание 15.10. Напишите реакцию крекинга малка-

Для проведения дегидрирования и крекинга требуется довольно высокая температура. При обычных условиях или несильном нагревании алкены образуются из галогенопроизводных. Хлоро- и бромоалканы реагируют со щелочью в спиртовом растворе, отщепляя галоген и водород от двух соседних атомов углерода:

Это реакция элиминирования (с. 441). Если к двум соседним атомам углерода присоединено разное число атомов водорода, то элиминирование идет по правилу Зайцева.

В реакции элиминирования водород преимущественно отщепляется от менее гидрогенизированного атома углерода.

пример 15.2. Напишите реакцию элиминирования 2-хлоробутана.

решение. По правилу Зайцева водород отщепляется от атома 3 С:

При действии металлов цинка и магния на дигалогеналканы с соседним положением галогенов также образуются алкены:

Химические свойства. Алкены могут как разлагаться при высокой температуре до простых веществ, так и полимеризоваться, превращаясь в высокомолекулярные вещества. Этилен полимеризуется при очень высоком давлении (-1500 атм) с добавкой небольшого количества кислорода в качестве инициатора, дающего свободные радикалы. Из жидкого в этих условиях этилена получается белая гибкая масса, прозрачная в тонком слое, - полиэтилен. Это хорошо знакомый всем материал. Полимер состоит из очень длинных молекул

Молекулярная масса 20 ООО-40 ООО. По структуре это предельный углеводород, но на концах молекул могут находиться атомы кислорода. При большой молекулярной массе доля концевых групп очень мала и установить их природу трудно.

задание 15.11. Сколько молекул этилена вошло в состав одной молекулы полиэтилена с молекулярной массой 28000?

Полимеризация этилена происходит также при небольшом давлении в присутствии особых катализаторов Циглера-Натта. Это смеси TiCl, и алюминийорганических соединений AlR x Cl 3-x , где R- алкил. Полиэтилен, получаемый при каталитической полимеризации, лучше по механическим свойствам, но быстрее стареет, т. е. разрушается под действием света и других факторов. Производство полиэтилена началось около 1955 г. Этот материал существенно повлиял на быт, так как из него стали изготавливать упаковочные пакеты. Из других полимеров алкенов наиболее важен полипропилен. Из него получается более жесткая и менее прозрачная пленка, чем из полиэтилена. Полимеризацию пропилена проводят с ка-

тализатором Циглера-Натта. Получаемый полимер имеет правильную изотактическую структуру

При полимеризации под высоким давлением получается атлантический полипропилен со случайным расположением радикалов СН 3 . Это вещество с совершенно другими свойствами: жидкость с температурой затвердевания -35 °С.

Реакции окисления. Алкены в обычных условиях окисляются по двойной связи при контакте с растворами перманганата калия и других окислителей. В слабо щелочной среде образуются гликоли, т. е.двухатомные спирты:

В кислой среде при нагревании алкены окисляются с полным разрывом молекулы по двойной связи:

задание 15.12. Напишите уравнение этой реакции.

задание 15.13. Напишите уравнения реакций окисления бутена-1 и бутена-2 перманганатом калия в кислой среде.

Этилен окисляется кислородом на катализаторе Ag/Al 2 O 3 с образованием циклического кислородсодержащего вещества, называемого окисью этилена:

Это очень важный продукт химической промышленности, получаемый ежегодно в количестве миллионов тонн. Он используется для производства полимеров и моющих средств.

Реакции электрофильного присоединения. К алкенам по двойной связи присоединяются молекулы галогенов, галогеноводородов, воды и многие другие. Рассмотрим механизм присоединения на примере брома. При атаке молекулы Вr 2 на один из атомов углерода ненасыщенного центра электронная пара π -связи смещается к последнему и далее к брому. Таким образом, бром действует как электрофильный реагент:

Образуется связь брома с углеродом, и одновременно рвется связь между атомами брома:

У атома углерода, потерявшего электронную пару, осталась свободная орбиталь. К нему присоединяется ион брома по донорно-акцепторному механизму:

Присоединение галогеноводородов идет через стадию атаки протона на ненасыщенный углерод. Далее, как в реакции с бромом, присоединяется ион галогена:

В случае присоединения воды протонов оказывается мало (вода - слабый электролит), и реакция идет в присутствии кислоты в качестве катализатора. Присоединение к гомологам этилена идет по правилу Марковникова.

В реакциях электрофильного присоединения галогеноводородов и воды к непредельным углеводородам водород преимущественно образует связь с наиболее гидрогенизированным атомом углерода.

пример 15.3. Напишите реакцию присоединения бромоводорода к пропену.

Сущность правила Марковникова заключается в том, что углеводородные радикалы представляют собой менее электроотрицательные (более электронодонорные) заместители, чем атом водорода. Поэтому подвижные π-электроны смещаются к sр 2 -углероду, не связанному с радикалом или связанному с меньшим числом радикалов:

Естественно, что водород Н + атакует атом углерода с отрицательным зарядом. Он и является более гидрогенизированным.

В функциональных производных алкенов замещение может идти против правила Марковникова, однако при рассмотрении смещения электронной плотности в конкретных молекулах всегда оказывается, что водород присоединяется к атому углерода, на котором имеется повышенная электронная плотность. Рассмотрим распределение зарядов в З-фторопропене-1. Электроотрицательный атом фтора действует как акцептор электронной плотности. В цепочке о-связей электронные пары смещаются к атому фтора, а подвижные π-электроны смещаются от крайнего к среднему атому углерода:

В результате этого присоединение идет против правила Марковникова:

Здесь действует один из основных механизмов взаимного влияния атомов в молекулах - индуктивный эффект:

Индуктивный эффект (±/) - это смещение электронных пар в цепочке о-связей под действием атома (группы атомов) с повышенной (-/) или пониженной (+/) электроотрицательностью относительно водорода:

Иное влияние оказывает атом галогена, если он находится у атома углерода sp 2 . Здесь присоединение идет по правилу Марковникова. В этом случае действует мезомерный эффект. Неподеленная электронная пара атома хлора смещается к атому углерода, как бы повышая кратность связи Сl-С.Вследствие этого электроны л-связи смещаются к следующему атому углерода, создавая на нем избыток электронной плотности. В ходе реакции к нему и присоединяется протон:

Затем, как видно из схемы, ион хлора идет к тому атому углерода, с которым уже был связан хлор. Мезомерный эффект возникает только при условии, что неподеленная пара электронов сопряжена с π-связью , т. е. их разделяет только одна одинарная связь. При удалении галогена от двойной связи (как в 3-фторопропене-1) мезомерный эффект исчезает. Индуктивный эффект действует во всех галогенопроизводных, но в случае 2-хлоропропена мезомерный эффект сильнее, чем индуктивный.

Мезомерным (±М) эффектом называется смещение я -электронов в цепочке sp 2 -aтомовуглерода при возможном участии неподеленной электронной пары функциональной группы.

Мезомерный эффект может быть как положительным (+М), так и отрицательным (-М). У атомов галогенов положительный мезомерный эффект и одновременно отрицательный индуктивный эффект. Отрицательный мезомерный эффект имеют функциональные группы с двойными связями у атомов кислорода (см. ниже).

задание 15.14. Напишите структурную формулу продукта реакции присоединения хлороводорода к 1-хлоробутену-1.

Оксосинтез. Важное промышленное значение имеет реакция алкенов с оксидом углерода(II) и водородом. Она проводится при повышенной температуре под давлением более 100 атм. Катализатором служит металлический кобальт, который образует промежуточные соединения с СО. Продуктом реакции является оксосоединение - альдегид, содержащий на один атом углерода больше, чем исходный алкен:

Алкадиены

Углеводороды с двумя двойными связями называют алкадиенами, а также более коротко диенами. Общая формула диенов С n Н 2n-2 Существуют три основных гомологических ряда диеновых углеводородов:

задание 15.15. Укажите, в каких гибридных состояниях находятся атомы углерода в диеновых углеводородах, приведенных выше.

Наибольшее практическое значение имеют сопряженные диеновые углеводороды, так как они служат сырьем для получения различных видов каучука и резины. Несопряженные диены обладают обычными свойствами алкенов. В сопряженных диенах имеются четыре расположенных подряд sр 2 -атома углерода. Они находятся в одной плоскости, а их негибридные р-орбитали ориентированы параллельно (рис. 15.2). Поэтому происходит перекрывание между всеми соседними р-орбиталями, и образуются π-связи не только между 1- 2 и 3- 4, но и между 2-3 атомами углерода. В то же время электроны должны образовать два двухэлектронных облака. Возникает наложение (резонанс) разных состояний л-электронов с промежуточной кратностью связи между одинарной и двойной:

Эти связи называются сопряженными. Связь между 2-3 атомами углерода оказывается укороченной по сравнению с обычной одинарной связью, чем подтверждается ее увеличенная кратность. При низкой температуре сопряженные диены ведут себя преимущественно как соединения с двумя двойными связями, а при повышенной температуре - как соединения с сопряженными связями.

Два важнейших диена - бутадиен-1,3 (дивинил) и 2-метилбутадиен-1,3 (изопрен)- получают из бута-

Рис. 15.2. Перекрывание р-орбиталей в молекуле диена

новой и пентановой фракций, являющихся продуктами переработки природного газа:

Бутадиен получается также по методу С. В. Лебедева из спирта:

Реакции электрофильного присоединения в сопряженных диенах идут своеобразно. Бутадиен при охлаждении до -80 °С присоединяет первую молекулу брома в положение 1,2:

Этот продукт получается с выходом 80%. Остальные 20% приходятся на продукт 1,4-присоединения:

Оставшаяся двойная связь локализуется между вторым и третьим атомами углерода. Сначала бром присоединяется к концевому атому углерода, образуя карбонатнон (частицу с положительным зарядом на углероде):

В процессе движения л-электроны оказываются то в положении 2, 3, то в положении 3, 4. При низкой температуре они чаще занимают положение 3, 4, и поэтому преобладает продукт 1,2-присоединения. Если бромирование проводится при температуре 40 °С, то продукт 1,4-присоединения становится главным, его выход поднимается до 80%, а остальное - продукт 1,2-присоединения.

задание 15.16. Напишите продукты последовательного присоединения брома и хлора к изопрену при повышенной температуре.

Бутадиен и изопрен легко полимеризуются с образованием различных каучуков. Катализаторами полимеризации могут служить щелочные металлы, органические соединения щелочных металлов, катализаторы Циглера-Натта. Полимеризация идет по типу 1,4-присоединения. Молекулы каучуков по своему строению относятся к несопряженным полиенам, т. е. к углеводородам с большим числом двойных связей. Это гибкие молекулы, способные как растягиваться, так и сворачиваться в клубки. На двойных связях в каучуках возникает как цис-, так и транс-расположение атомов водорода и радикалов. Наилучшими свойствами обладают цис-бутадиеновый и цыс-изопреновый (природный) каучуки. Их структура показана на рис. 15.3. В природе встречается также транс-полиизопрен (гуттаперча). На приведенных формулах кау-

Рис. 15.3. Структура молекул некоторых каучуков

чуков вокруг связей, изображенных пунктиром, возможно внутреннее вращение. Каучуки, в молекулах которых при двойных связях имеется как цис-, так и торакс-конфигурация, называются нерегулярными. По свойствам они уступают регулярным каучукам.

задание 15.17. Нарисуйте структуру транс-полибу тадиена.

задание 15.18. Известно хлоропроизводное бутадиена хлоропрен (2-хлоробутадиен-1,3), из которого получают хлоропреновый каучук. Напишите структурную формулу цис-хлоропренового каучука.

Из каучуков производится резина, практическое применение которой необычайно широко. Наибольшее количество ее идет на изготовление колесных покрышек. Для получения резины каучук смешивают с серой и нагревают. Атомы серы присоединяются по двойным связям, создавая между молекулами каучука множество мостиков. Образуется пространственная сетка связей, объединяющая практически в одну молекулу все имеющиеся молекулы каучука. В то время как каучук растворяется в углеводородах, резина способна только набухать, вбирая растворитель в пустые ячейки между участками углеводородных цепей и серными мостиками.

Алкины

Еще один гомологический ряд составляют алкины - углеводороды с тройной связью между атомами углерода:

Общая формула этого ряда C n H 2n _ 2 такая же, как для гомологического ряда диенов. Первым членом ряда является ацетилен С 2 Н 2 , или, по систематической номенклатуре, этин. Следующие члены ряда пропин С 3 Н 4 , бутин С 4 Н 6 , пентин С 5 Н 8 и т. д. Подобно алкенам и диенам, это тоже ненасыщенные углеводороды, но в данном ряду атомы углерода, связанные тройной

связью, находятся в состоянии sp-гибридизации. Их гибридные орбитали направлены в противоположные стороны под углом 180° и создают линейную группировку, включающую водород или углеродные атомы радикалов:

задание 15.19. Напишите структурные формулы пропина и бутина. Имеют ли они изомеры?

задание 15.20. Рассмотрите схему перекрывания орбиталей в молекуле ацетилена (с. 188). Какими орбиталями образованы л-связи между атомами углерода?

Тройная связь в алкенах характеризуется энергией Е св = 828 кДж/моль. Это на 222 кДж/моль больше, чем энергия двойной связи в алкенах. Расстояние С=С уменьшается до 120 пм. Несмотря на наличие такой прочной связи, ацетилен неустойчив и может разлагаться со взрывом на метан и уголь:

Это свойство объясняется тем, что в продуктах разложения уменьшается число менее прочных π-связей , вместо которых создаются σ-связи в метане и графите. С неустойчивостью ацетилена связано большое выделение энергии при его сгорании. Температура пламени достигает 3150 °С. Это достаточно для резки и сварки стали. Ацетилен хранят и перевозят в баллонах белого цвета, в которых он находится в ацетоновом растворе под давлением -10 атм.

Алкины проявляют изомерию углеродного скелета и положения кратной связи. Пространственнаяцистранс изомерия отсутствует.

задание 15.21. Напишите структурные формулы всех возможных изомеров С 5 Н 8 , имеющих тройную связь.

Получение. Ацетилен образуется при гидролизе карбида кальция:

Другой практически важный способ получения ацетилена основан на быстром нагревании метана до 1500-1600 °С. При этом метан разлагается и одновременно образуется до 15% ацетилена. Смесь газов быстро охлаждают. Ацетилен отделяют растворением в воде под давлением. Объемный коэффициент растворимости ацетилена больше, чем у других углеводородов: K V = 1,15(15 °С).

Алкины образуются при двойном элиминировании дигалогенопроизводных:

пример 15.4. Как получить бутин-2 из бутена-1 в четыре стадии?

решение. Напишем уравнения реакций.

Химические свойства. Ацетилен взрывается при температуре -500 °С или под давлением больше 20 атм, разлагаясь на уголь и водород с примесью метана. Молекулы ацетилена могут также соединяться между собой. В присутствии CuCl происходит димеризация с образованием винилацетилена:

задание 15.22. Назовите винилацетилен по систематической номенклатуре.

При пропускании над нагретым углем ацетилен тримеризуется, образуя бензол:

Перманганат калия в слабо щелочной среде окисляет алкины с сохранением σ-связи между атомами углерода:

В данном примере продуктом реакции является оксалат калия - соль щавелевой кислоты. Окисление перманганатом калия в кислой среде приводит к полному разрыву тройной связи:

ЗАДАНИЕ 15.23. Составьте уравнение реакции окисления бутина-2 перманганатом калия в слабощелочной среде.

Несмотря на большую ненасыщенность молекул, реакции электрофильного присоединения у алкинов идут труднее (медленнее), чем у алкенов. Алкины последовательно присоединяют две молекулы галогена. Присоединение галогеноводородов и воды идет по правилу Марковникова. Для присоединения воды необходим катализатор - сульфат ртути в кислой среде (реакция Кучерова):

Гидроксильная группа ОН, связанная с sp 2 -yvnepo дом, неустойчива. Электронная пара смещается от кислорода к ближайшему атому углерода, а протон переходит к следующему атому углерода:

Таким образом, конечным продуктом реакции пропина с водой оказывается оксосоединение ацетон.

Реакция замещения водорода. Углерод в состоянии sp-гибридизации характеризуется несколько большей электроотрицательностью, чем в состояниях sp 2 и sp 3 . Поэтому в алкинах полярность связи С -Н повышена, и водород становится относительно подвижным. Алкины реагируют с растворами солей тяжелых металлов, образуя продукты замещения. В случае ацетилена эти продукты называютсяацетилениды:

К ацетиленидам относится и карбид кальция (с. 364). Следует отметить, что ацетилениды щелочных и щелочно-земельных металлов полностью гидрол изуются. Ацетилениды реагируют с галогенопроизводными углеводородов с образованием различных гомологов ацетилена.

Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации) . Очевидно, что все многообразие реакций органических соединений невозможно свести к предложенной классификации (например, реакции горения). Однако такая классификация поможет установить аналогии с уже знакомыми вам реакциями, протекающими между неорганическими веществами.

Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом , а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент .

Реакции замещения

Реакции замещения - это реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов.

В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие как алканы, циклоалканы или арены. Приведем примеры таких реакций.

Под действием света атомы водорода в молекуле метана способны замещаться на атомы галогена, например, на атомы хлора:

Другим примером замещения водорода на галоген является превращение бензола в бромбензол:

Уравнение этой реакции может быть записано иначе:

В результате реакций замещения у органических веществ образуются не простое и сложное вещества, как в неорганической химии, а два сложных вещества.

Реакции присоединения

Реакции присоединения - это реакции, в результате которых две или более молекул реагирующих веществ соединяются в одну.

В реакции присоединения вступают ненасыщенные соединения, такие как алкены или алкины. В зависимости от того, какая молекула выступает в качестве реагента, различают гидрирование (или восстановление), галогенирование, гидрогалогенирование, гидратацию и другие реакции присоединения. Каждая из них требует определенных условий.

1.Гидрирование - реакция присоединения молекулы водорода по кратной связи:

2. Гидрогалогенирование - реакция присоединения галогенводорода (гидрохлорирование):

3. Галогенирование - реакция присоединения галогена:

4.Полимеризация - особый тип реакций присоединения, в ходе которых молекулы вещества с небольшой молекулярной массой соединяются друг с другом с образованием молекул вещества с очень высокой молекулярной массой - макромолекул.

Реакции полимеризации - это процессы соединения множества молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.

Примером реакции полимеризации может служить получение полиэтилена из этилена (этена) под действием ультрафиолетового излучения и радикального инициатора полимеразации R.

Наиболее характерная для органических соединений ковалентная связь образуется при перекрывании атомных орбиталей и образовании общих электронных пар. В результате этого образуется общая для двух атомов орбиталь, на которой находится общая электронная пара. При разрыве связи судьба этих общих электронов может быть разной.

Типы реакционноспособных частиц

Орбиталь с неспаренным электроном, принадлежащая одному атому, может перекрываться с орбиталью другого атома, на которой также находится неспаренный электрон. При этом происходит образование ковалентной связи по обменному механизму:

Обменный механизм образования ковалентной связи реализуется в том случае, если общая электронная пара образуется из неспаренных электронов, принадлежащих разным атомам.

Процессом, противоположным образованию ковалентной связи по обменному механизму, является разрыв связи, при котором к каждому атому отходит по одному электрону (). В результате этого образуются две незаряженные частицы, имеющие неспаренные электроны:

Такие частицы называются свободными радикалами.

Свободные радикалы - атомы или группы атомов, имеющие неспаренные электроны.

Свободнорадикальные реакции - это реакции, которые протекают под действием и при участии свободных радикалов.

В курсе неорганической химии это реакции взаимодействия водорода с кислородом, галогенами, реакции горения. Реакции этого типа отличаются высокой скоростью, выделением большого количества тепла.

Ковалентная связь может образоваться и по донорно-акцепторному механизму. Одна из орбиталей атома (или аниона), на которой находится неподеленная электронная пара, перекрывается с незаполненной орбиталью другого атома (или катиона), имеющего незаполненную орбиталь, при этом формируется ковалентная связь, например:

Разрыв ковалентной связи приводит к образованию положительно и отрицательно заряженных частиц (); так как в данном случае оба электрона из общей электронной пары остаются при одном из атомов, у другого атома получается незаполненная орбиталь:

Рассмотрим электролитическую диссоциацию кислот:

Можно легко догадаться, что частица, имеющая неподеленную электронную пару R: — , т. е. отрицательно заряженный ион, будет притягиваться к положительно заряженным атомам или к атомам, на которых существует по крайней мере частичный или эффективный положительный заряд.
Частицы с неподеленными электронными парами называют нуклеофильными агентами (nucleus - «ядро», положительно заряженная часть атома), т. е. «друзьями» ядра, положительного заряда.

Нуклеофилы (Nu ) - анионы или молекулы, имеющие неподеленную пару электронов, взаимодействующие с участками молекул, на которых сосредоточен эффективный положительный заряд.

Примеры нуклеофилов: Сl — (хлорид-ион), ОН — (гидроксид-анион), СН 3 O — (метоксид-анион), СН 3 СОО — (ацетат-анион).

Частицы, имеющие незаполненную орбиталь, напротив, будут стремиться заполнить ее и, следовательно, будут притягиваться к участкам молекул, на которых присутствует повышенная электронная плотность, отрицательный заряд, неподеленная электронная пара. Они являются электрофилами, «друзьями» электрона, отрицательного заряда или частиц с повышенной электронной плотностью.

Электрофилы - катионы или молекулы, имеющие незаполненную электронную орбиталь, стремящиеся к заполнению ее электронами, так как это приводит к более выгодной электронной конфигурации атома.

Электрофилом с незаполненной орбиталью является не любая частица. Так, например, катионы щелочных металлов имеют конфигурацию инертных газов и не стремятся к приобретению электронов, так как имеют низкое сродство к электрону.
Из этого можно сделать вывод, что несмотря на наличие у них незаполненной орбитали, подобные частицы не будут являться электрофилами.

Основные механизмы протекания реакций

Выделено три основных типа реагирующих частиц - свободные радикалы, электрофилы, нуклеофилы - и три соответствующих им типа механизма реакций:

свободнорадикальные;
электрофильные;
нулеофильные.

Кроме классификации реакций по типу реагирующих частиц, в органической химии различают четыре вида реакций по принципу изменения состава молекул: присоединения, замещения, отщепления, или элиминирования (от англ. to eliminate - удалять, отщеплять) и перегруппировки. Так как присоединение и замещение могут происходить под действием всех трех типов реакционноспособных частиц, можно выделить несколько основных механизмов протекания реакций.

Кроме того, рассмотрим реакции отщепления, или элиминирования, которые идут под воздействием нуклеофильных частиц - оснований.
6. Элиминирование:

Отличительной чертой алкенов (непредельных углеводородов) является способность вступать в реакции присоединения. Большинство этих реакций протекает по механизму электрофильного присоединения.

Гидрогалогенирование (присоединение галоген водорода):

При присоединении галогенводорода к алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода, т. е. атому, при котором находится больше атомов водорода, а галоген - к менее гидрированному .